Пионер информатики Алан Тьюринг впервые предложил механизм формирования паттернов в 1952 году. Незадолго до своей смерти он опубликовал статью, в которой изложил свою теорию о том, как сложные и нерегулярные паттерны возникают в природе. Тьюринг отмечал, что это, в частности, привело к появлению пятен на шкурах леопардов.
Тьюринг в своей статье сосредоточился на химических веществах, известных как морфогены. Он описал механизм морфогенеза, включающий взаимодействие между химическим активатором, который выражает уникальную характеристику (например, полосу тигра), и химическим веществом-ингибитором, которое периодически срабатывает, чтобы отключить экспрессию активатора. И активатор, и ингибитор распространяются по системе подобно атомам газа. Если ингибитор диффундирует быстрее, чем активатор, то процесс дестабилизируется. Это явление и создает «паттерн Тьюринга».
Такие паттерны уже удалось наблюдать в физике и химии, и появляется все больше свидетельств того, что они встречаются в биологических системах. Однако действие механизма сложно объяснить, к примеру, при образовании эмбриона из гомогенной ткани.
Именно поэтому испанские ученые решили создать паттерны внутри колонии кишечной палочки с применением методов синтетической биологии. «Мы хотели создать нарушение симметрии, которое никогда не наблюдается в колониях кишечной палочки, но встречаются в образцах тканей животных, а затем выяснить, какие составляющие необходимы для создания этих образцов», — отметил соавтор работы Сальва Дуран-Небреда, постдок в Институте эволюционной биологии в Барселоне.
Колония кишечной палочки включала группы клеток обычного размера, которые нормально делятся и диффундируют (активатор); группы удлиненных клеток, неспособных делиться или диффундировать (ингибитор); и молекулы, известные как лактоны, которые помогают регулировать экспрессию генов в E. coli, позволяя им общаться посредством так называемого кворум-зондирования.
Исследователи наблюдали, как эта колония росла и развивалась. Ее форма сначала представляла собой круг, но с течением времени она начала прорастать «ветками» по краям, причем, симметричными.
Авторы надеются применить свои открытия к другим биологическим системам, например к социальным насекомым. «Мы подозреваем, что под сложностью взаимосвязанных взаимодействий генов скрываются принципы самоорганизации, о которых говорил Тьюринг», — заключают они.
