研究人员工程师细菌表现出随机图灵模式

怎么斑马的条纹,或豹岂能改变斑点呢?人类一直试图回答这样的问题因为我们最早记录天,和他们产生共鸣现存早期世界的神话和民间故事。在现代,我们看到数学模型和最近的基因组科学发现的解释模式如何形成生活的组织,而是一个完整的答案已经被证明特别困难。

生命系统的模式形成机制是最为感兴趣的工程师们试图在实验室开发活组织。策划组织会有无数潜在的医学应用,但为了生活组织合成,科学家需要理解生命系统中模式形成的起源。

一项新的研究通过厄巴纳伊利诺斯州大学的研究人员,麻省理工学院,约翰霍普金斯大学应用物理实验室带来了科学分子水平理解更近一步在活组织的模式是如何形成的。研究人员研制出细菌,当孵化和增长,表现出随机图灵模式:“草坪”合成细菌培养皿中会不规则的红色圆点花纹模式一片绿色。

经典的图灵模式是什么?

图灵模式可以条纹,斑点或螺旋出现自然的统一的状态。1952年,英国数学家,计算机科学家和理论生物学家阿兰·图灵提出了一个模式如何形成的机制,理论是由于一种非常普遍的不稳定性,计算。当时,生物学尚未发现了基因调控的复杂性,和现在的模型图灵提出过于简化的描述多种参数在兽皮模式形成。所以当图灵曾被观察到在某些化学反应模式,这种模式已经证明很难证明在生物有机体。

U(我的物理学教授奈杰尔Goldenfeld说明了经典的图灵生物模式形成的局限性,使用一个捕食者-猎物的类比。

“图灵的问题的机制,”Goldenfeld解释道,“是,它取决于一个标准,在许多生物系统并不满意,即抑制剂必须能够移动更快活化剂。例如,如果不是化学物质,我们打算在一个生态系统的两个生物,像狼和羊,狼需要能够移动速度远远超过羊经典图灵模式。这将是什么样子,你首先会看到羊的数量增长,喂狼,数量也会增长。和狼会到处跑,有羊,这样你会得到小本地化补丁的羊与狼在外面。这就是动物方面的机制图灵发现了什么。”

随机性的随机图灵模型驱动
在最近的研究中,研究人员展示了实验和理论上,图灵模式实际上发生在活组织而扭曲。生成模式的不稳定,在图灵的模型被定义为高扩散之间的两种化学成分的比例、催化剂和抑制剂,在这项研究中,研究人员证明它实际上randomness-which将在大多数实验被认为是背景噪声生成Goldenfeld已经创造了一个随机图灵的模式。

大约十年前,Goldenfeld前研究生,汤姆·巴特勒博士发明了一种随机图灵的理论模式,在模式开发inhibitor-activator比例不高,但随机噪声的基因表达。Goldenfeld解释说,“大约在10年前我们问,如果只有少量的羊,所以有大种群数量的波动?现在你得到随机过程羊死。我们发现,当你生随机性,实际上驱动随机图灵的形成模式。这些是随机模式,但他们有一个非常特征结构,我们计算那是什么。

“随机图灵的理论模式不需要一个伟大的猎物和捕食者之间的速度差异,催化剂和抑制剂。他们可以或多或少相同,你仍然得到一个模式。但它不会是一个规律。它会以某种方式无序。”

生物工程实验

正在执行的细菌在本研究模式实验大约在同一时间Goldenfeld和巴特勒是发展他们的理论。最初的动机在活体内研究细菌是否可以改造生产图灵不稳定。研究人员利用合成生物学工程师细菌,根据activation-inhibition从图灵的想法。他们注射细菌基因的细菌发射和接收两个不同的分子信号。研究者在分子荧光记者,创建一个系统,他们可以把基因回路的通断开关通过信号分子:activator会红色和抑制剂的绿色。研究人员发现,从一个齐次电影,改造的细菌形成红点周围一片绿色孵化后一段足够的细菌形成不规则的图灵模式,像那些随机预测的理论。

麻省理工学院(MIT)的原始实验和建模工作由罗恩·维斯和由大卫•Karig现在应用物理实验室,约翰霍普金斯大学,陆挺,现在的你我,后来继续由麻省理工学院的Nicholas DeLateur研究生。

Goldenfeld指出,“意外绝对扮演了一个角色在连接我们的两项研究中,一如其在academia-the正确位置,正确的时间,和我们的想法融合。”

验证随机图灵的理论

为了测试新理论所描述的实验真的花了数年的工作。k .迈克尔•马提尼研究生生活细胞的物理中心U的我,曾与Goldenfeld构建一个非常详细的随机模型发生了什么在这些合成的模式构成基因电路,计算结果,然后将理论预测与培养皿中的工程师们看到了什么。

“真正证明我们的随机模式的写作是困难的。我们做了很多的预测,在实验中得到证实,“Goldenfeld评论。“因为数学描述这些模式有很多参数,我们必须探索所有的影响。它涉及到很多参数空间中搜索揭示模式形成的机制是什么。有必要大量的交互和协作与我们工程同事。

“我们的工作表明,你实际上可以图灵模式即使在情况下你不会期望能够看到他们,但他们是无序patterns-stochastic图灵模式。这里的特性转化不是羊和狼的出生和死亡,但它的出生和死亡,创造和吸收的蛋白质。这是一个反直觉的预测:随机基因表达的声音,这些模式生成的。通常你认为噪音消灭一个信号。如果你想听音乐电台,噪音信号淹没。但在这种情况下,我们有一个noise-stabilized模式。”

这些发现揭示一个古老的问题,开始为未来铺平道路在生物医学工程的努力。

Goldenfeld肯定,“这确实是第一个原则,你可以证明工程师在活的有机体内随机图灵模式,尽管它并不简单。现在我们知道这种机制真的可以工作,这些波动可以驱动模式。最终,工程师们想使用这种类型的技术使小说组织和新功能的生物系统。我们的研究显示,你可以在一个经典的图灵的政权模式不能被使用。”

这些研究结果发表在6月11日,2018年美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国(PNAS),在文章中“随机图灵模式合成细菌的人口。”