斑馬是如何得到它的條紋，或豹是它的斑點(diǎn)?自從我們最早記錄的日子以來，人類一直試圖回答這些問題，并且他們?cè)诂F(xiàn)存的神話和早期世界的民間傳說中產(chǎn)生共鳴。在現(xiàn)代，我們研究數(shù)學(xué)模型，最近研究基因組科學(xué)，以揭示模式在生活組織中如何形成的解釋，但事實(shí)證明，完整的答案特別難以理解。
生命系統(tǒng)中的模式形成機(jī)制對(duì)于尋求在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)活組織的生物工程師來說是最重要的。工程組織將有無數(shù)潛在的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，但為了合成活組織，科學(xué)家需要了解生命系統(tǒng)中模式形成的起源。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校，麻省理工學(xué)院和約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究使科學(xué)更接近分子水平理解生命組織中模式的形成方式。研究人員設(shè)計(jì)的細(xì)菌在孵化和生長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)出隨機(jī)的圖靈模式：培養(yǎng)皿中合成細(xì)菌的“草坪”在綠色區(qū)域發(fā)出不規(guī)則的紅色圓點(diǎn)圖案。
什么是經(jīng)典的圖靈模式?
圖靈圖案可以是由均勻狀態(tài)自然產(chǎn)生的條紋，斑點(diǎn)或螺旋。1952年，英國(guó)數(shù)學(xué)家，計(jì)算機(jī)科學(xué)家和理論生物學(xué)家阿蘭·圖靈提出了一種模式如何形成的機(jī)制，理論認(rèn)為這是由于一種非常普遍的不穩(wěn)定性，他在數(shù)學(xué)上得出了這種機(jī)制。當(dāng)時(shí)，生物學(xué)還沒有發(fā)現(xiàn)基因調(diào)控的復(fù)雜性，現(xiàn)在很清楚，圖靈提出的模型過于簡(jiǎn)化，無法描述動(dòng)物皮膚模式形成過程中的眾多參數(shù)。因此，雖然在某些化學(xué)反應(yīng)中觀察到圖靈模式，但已經(jīng)證明這種模式在生物有機(jī)體中很難證明。
我的物理學(xué)教授Nigel Goldenfeld教授利用捕食者 - 獵物類比來說明生物學(xué)中經(jīng)典圖靈模式形成的局限性。
“圖靈的機(jī)制問題，”Goldenfeld解釋說，“它取決于許多生物系統(tǒng)中不滿足的標(biāo)準(zhǔn)，即抑制劑必須比活化劑更快地移動(dòng)。例如，如果相反在化學(xué)品方面，我們看著生態(tài)系統(tǒng)中的兩種生物，如狼和綿羊，狼需要能夠比綿羊更快地移動(dòng)以獲得經(jīng)典的圖靈模式。這看起來像什么，你會(huì)先看到羊數(shù)量增加，喂狼，然后也會(huì)增加數(shù)量。狼群會(huì)跑來跑去包含綿羊，這樣你就可以得到很少的局部斑羊，外面有狼群。這基本上就是動(dòng)物的機(jī)制圖靈發(fā)現(xiàn)的條款。“
隨機(jī)圖靈模型由隨機(jī)性驅(qū)動(dòng)。
在目前的研究中，研究人員在實(shí)驗(yàn)和理論上證明了圖靈模式實(shí)際上確實(shí)存在于活組織中 - 但是有一種扭曲。在圖靈模型中產(chǎn)生模式的不穩(wěn)定性被定義為兩種化學(xué)物質(zhì)(活化劑和抑制劑)之間的高擴(kuò)散比，在這項(xiàng)研究中，研究人員證明它實(shí)際上是隨機(jī)性 - 在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中將其視為背景噪聲 - 這就產(chǎn)生了Goldenfeld創(chuàng)造的隨機(jī)圖靈模式。
大約十年前，Goldenfeld和前研究生Tom Butler博士開發(fā)了一種隨機(jī)圖靈模式理論，其中模式不是來自高抑制劑 - 活化劑比率，而是來自隨機(jī)基因表達(dá)的噪音。Goldenfeld解釋說，“大約10年前，我們問過，如果只有少量的綿羊會(huì)發(fā)生什么事情，那么人口數(shù)量就會(huì)大幅波動(dòng)?現(xiàn)在你得到了羊隨機(jī)死亡的過程。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你給出隨機(jī)性的誕生，實(shí)際上推動(dòng)了隨機(jī)圖靈模式的形成。這些是隨機(jī)模式，但它們具有非常有特色的結(jié)構(gòu)，我們用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出它是什么。
“隨機(jī)圖靈模式的理論并不要求獵物和捕食者，激活劑和抑制劑之間的速度有很大差異。它們可以或多或少相同，但你仍然可以獲得一種模式。但它不會(huì)是一種規(guī)律的模式。它會(huì)以某種方式混亂。“
生物工程實(shí)驗(yàn)
本研究中的細(xì)菌圖案化實(shí)驗(yàn)大約在同一時(shí)間進(jìn)行，Goldenfeld和Butler正在開發(fā)他們的理論。體內(nèi)研究的最初動(dòng)機(jī)是看是否可以設(shè)計(jì)細(xì)菌以產(chǎn)生圖靈不穩(wěn)定性?；趫D靈的激活抑制思想，研究人員使用合成生物學(xué)來設(shè)計(jì)細(xì)菌。他們給細(xì)菌注入了使細(xì)菌發(fā)出并接收兩種不同分子作為信號(hào)的基因。研究人員將熒光報(bào)告分子附加到分子上，創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，通過它們的信號(hào)分子可以看到遺傳電路的開/關(guān)切換：活化劑發(fā)出紅色熒光，抑制劑發(fā)綠光。研究人員觀察到，從均勻的薄膜開始，
麻省理工學(xué)院最初的實(shí)驗(yàn)和建模工作由Ron Weiss領(lǐng)導(dǎo)，現(xiàn)由約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的David Karig和現(xiàn)在的U大學(xué)的Ting Lu進(jìn)行，之后由研究生Nicholas DeLateur繼續(xù)進(jìn)行。在麻省理工學(xué)院。
Goldenfeld指出，“Serendipity肯定在我們連接我們的兩項(xiàng)研究中發(fā)揮了作用，正如學(xué)術(shù)界經(jīng)常做的那樣 - 正確的地方，正確的時(shí)間和我們的想法融合在一起。”
驗(yàn)證隨機(jī)圖靈理論
為了測(cè)試實(shí)驗(yàn)是否真的被新理論描述需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間。K. Michael Martini，我在U大學(xué)的活細(xì)胞物理中心的研究生，與Goldenfeld一起建立了一個(gè)非常詳細(xì)的隨機(jī)模型，描述了這些合成模式形成基因環(huán)路的情況，計(jì)算了后果然后將理論預(yù)測(cè)與生物工程師在培養(yǎng)皿中看到的結(jié)果進(jìn)行比較。
“為了真正證明我們的隨機(jī)模式是有效的 - 這很難。我們已經(jīng)做了很多預(yù)測(cè)，必須在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證，”Goldenfeld評(píng)論道。“因?yàn)槊枋鲞@些模式的數(shù)學(xué)有很多參數(shù)，我們必須探索每種模式的所有效果。它涉及在參數(shù)空間中進(jìn)行大量搜索，以揭示模式形成的機(jī)制。并且必然會(huì)有很多相互作用和我們的工程同事合作。
“我們的工作表明，即使在你不希望看到它們的情況下，你也可以獲得圖靈模式，但它們是無序模式 - 隨機(jī)圖靈模式。這里的隨機(jī)性不是誕生和綿羊或狼的死亡，但它是蛋白質(zhì)的誕生和死亡，創(chuàng)造和吸收。這是一個(gè)非常反直覺的預(yù)測(cè)：產(chǎn)生這些模式的隨機(jī)基因表達(dá)的噪音。通常你會(huì)想到消除信號(hào)的噪音如果你試圖通過收音機(jī)聽音樂，信號(hào)中的噪音就會(huì)淹沒它。但在這種情況下，我們有一個(gè)噪音穩(wěn)定的模式。“
這些發(fā)現(xiàn)為一個(gè)古老的問題提供了新的視角，并開始為未來生物醫(yī)學(xué)工程的努力鋪平道路。
Goldenfeld肯定地說，“這確實(shí)是你可以設(shè)計(jì)體內(nèi)隨機(jī)圖靈模式的第一個(gè)原理證明，雖然它并不簡(jiǎn)單。所以現(xiàn)在我們知道這種機(jī)制確實(shí)可行，并且這些波動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)模式。最終，生物工程師會(huì)我喜歡用這種技術(shù)來制造新的組織和新的功能性生物系統(tǒng)。我們的研究表明，你可以在不能使用經(jīng)典圖靈模式的情況下做到這一點(diǎn)。“