Une équipe de chercheurs de l'EMBL a élargi la théorie séminale d'Alan Turing sur la façon dont les modèles sont créés dans les systèmes biologiques. Ce travail, ce qui a été fait en partie au Centre de Régulation Génomique (CRG), peut répondre si les modèles de la nature sont régis par le modèle mathématique de Turing et pourraient avoir des applications en ingénierie tissulaire. Leurs résultats ont été publiés le 20 juin dans Examen physique X .

Alan Turing a cherché à expliquer comment les modèles dans la nature apparaissent avec sa théorie de 1952 sur la morphogenèse. Les rayures d'un zèbre, la disposition des doigts et des verticilles radiaux dans la tête d'un tournesol, Il a proposé, sont tous déterminés par une interaction unique entre des molécules se répandant dans l'espace et interagissant chimiquement les unes avec les autres. La célèbre théorie de Turing peut être appliquée à divers domaines, de la biologie à l'astrophysique.

De nombreux modèles biologiques ont été proposés pour se produire selon les règles de Turing, mais les scientifiques n'ont pas encore été en mesure de fournir une preuve définitive que ces modèles biologiques sont régis par la théorie de Turing. L'analyse théorique semble également prédire que les systèmes de Turing sont intrinsèquement très fragiles, peu probable pour un mécanisme qui régit les modèles dans la nature.

Au-delà de la théorie de Turing

Xavier Diégo, James Sharpe et ses collègues du nouveau site de l'EMBL à Barcelone ont analysé les preuves informatiques que les systèmes de Turing peuvent être beaucoup plus flexibles qu'on ne le pensait auparavant. Suite à cet indice, les scientifiques, basés au CRG et sont maintenant à l'EMBL, élargi la théorie originale de Turing en utilisant la théorie des graphes, une branche des mathématiques qui étudie les propriétés des réseaux et facilite le travail avec des complexes, systèmes réalistes. Cela a conduit à la réalisation que la topologie du réseau, la structure de la rétroaction entre les composants des réseaux, est ce qui détermine de nombreuses propriétés fondamentales d'un système de Turing. Leur nouvelle théorie topologique fournit une vue unificatrice de nombreuses propriétés cruciales pour les systèmes de Turing qui n'étaient pas bien comprises auparavant et définit explicitement ce qui est nécessaire pour faire un système de Turing réussi.

Un système de Turing consiste en un activateur qui doit diffuser à un rythme beaucoup plus lent qu'un inhibiteur pour produire un motif. La majorité des modèles de Turing nécessitent un niveau de réglage fin des paramètres qui les empêche d'être un mécanisme robuste pour tout processus de structuration réel. « Nous avons appris que l'étude d'un système de Turing à travers la lentille topologique simplifie vraiment l'analyse. Par exemple, comprendre la source des restrictions de diffusion devient simple, et plus important, nous pouvons facilement voir quelles modifications sont nécessaires pour assouplir ces restrictions, " explique Xavier Diego, premier auteur de l'article.

"Notre approche peut être appliquée aux systèmes de Turing généraux, et les propriétés seront vraies pour les réseaux avec un nombre quelconque de composants. Nous pouvons maintenant prédire si l'activité de deux nœuds du réseau est en ou hors phase, et nous avons également découvert quels changements sont nécessaires pour changer cela. Cela nous permet de construire des réseaux qui font se chevaucher n'importe quelle paire de substances souhaitée dans l'espace, qui pourraient avoir des applications intéressantes en ingénierie tissulaire."

Hiéroglyphes de Turing pour groupes expérimentaux

Les chercheurs fournissent également une méthode illustrée qui permet aux chercheurs d'analyser facilement les réseaux existants ou de proposer de nouvelles conceptions de réseaux. "Nous les appelons 'hiéroglyphes de Turing' dans le laboratoire, " déclare James Sharpe, chef du groupe EMBL Barcelone, qui a dirigé les travaux. "En utilisant ces hiéroglyphes, nous espérons que nos méthodes seront adoptées à la fois par les théoriciens et par les groupes expérimentaux qui tentent de mettre en œuvre des réseaux de Turing dans des cellules biologiques. »

Cette théorie élargie offre aux groupes de recherche expérimentale une nouvelle approche pour faire en sorte que les cellules biologiques se développent selon des modèles en laboratoire. Si les groupes expérimentaux réussissent dans ce domaine, les questions de savoir si la théorie de la morphogenèse de Turing s'applique aux systèmes biologiques trouveront enfin une réponse.