Το αρχαίο μοτίβο Turing χτίζει φτερά, μαλλιά — και τώρα, δέρμα καρχαρία

Το 1952, πολύ πριν οι αναπτυξιακοί βιολόγοι μιλήσουν με όρους Hox γονίδια και παράγοντες μεταγραφής, ή ακόμα και κατανοητή τη δομή του DNA, ο Άλαν Τούρινγκ είχε μια ιδέα. Ο διάσημος μαθηματικός που επέσπευσε το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου σπάζοντας τον κώδικα Enigma έστρεψε το μυαλό του στον φυσικό κόσμο και επινόησε ένα κομψό μαθηματικό μοντέλο σχηματισμού προτύπων. Η θεωρία του σκιαγράφησε πώς θα μπορούσαν να προκύψουν ατελείωτες ποικιλίες λωρίδων, κηλίδων και φολίδων από την αλληλεπίδραση δύο απλών, υποθετικών χημικών παραγόντων ή «μορφογόνων».

Πέρασαν δεκαετίες προτού οι βιολόγοι σκεφτούν σοβαρά ότι αυτή η μαθηματική θεωρία θα μπορούσε στην πραγματικότητα να εξηγήσει μυριάδες βιολογικά πρότυπα. Η ανάπτυξη των τριχών των θηλαστικών, των φτερών των πτηνών, ακόμη και εκείνων των ραβδώσεων στην οροφή του στόματός σας, προέρχονται από μηχανισμούς που μοιάζουν με Turing.

Τώρα, οι οδοντοστοιχίες, οι οδοντόμορφες προεξοχές που καλύπτουν το δέρμα των καρχαριών, μπορούν να προστεθούν στη λίστα. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα ανακάλυψαν πρόσφατα ότι τα οδοντοστοιχία του καρχαρία τοποθετούνται από έναν μηχανισμό που μοιάζει με Turing που κατευθύνεται από τα ίδια γονίδια που είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό του μοτίβου των φτερών. Σύμφωνα με τον Gareth Fraser, τον ερευνητή που οδήγησε τη μελέτη, η εργασία προτείνει ότι τα αναπτυσσόμενα έμβρυα διαφορετικών ειδών με ραχοκοκαλιά καθορίζουν μοτίβα χαρακτηριστικών στα εξωτερικά στρώματα του ιστού τους με τον ίδιο τρόπο - έναν μηχανισμό διαμόρφωσης «που πιθανότατα εξελίχθηκε με τα πρώτα σπονδυλωτά και έχει αλλάξει πολύ λίγο από τότε.”

«Η ομορφιά αυτής της εργασίας είναι ότι δείχνει ότι μπορεί να υπάρχει μια πολύ ισχυρή διατήρηση αυτού του μηχανισμού για το σχηματισμό οτιδήποτε, από οδοντοστοιχίες καρχαρία έως φτερά πουλιών», δήλωσε ο Alexander Schier, αναπτυξιακός βιολόγος του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Αυτή η μελέτη ενισχύει ένα αυξανόμενο θέμα στην αναπτυξιακή βιολογία, ότι «η φύση τείνει να εφεύρει κάτι μια φορά και μετά παίζει παραλλαγές σε αυτό το θέμα», είπε ο Schier.

Το μοντέλο του Turing, που ονομάζεται μηχανισμός αντίδρασης-διάχυσης, είναι πολύ απλό. Απαιτεί μόνο δύο αλληλεπιδρώντες παράγοντες, έναν ενεργοποιητή και έναν αναστολέα, που διαχέονται μέσω του ιστού σαν μελάνι που πέφτει στο νερό. Ο ενεργοποιητής ξεκινά κάποια διαδικασία, όπως ο σχηματισμός ενός σημείου, και προωθεί την παραγωγή του εαυτού του. Ο αναστολέας σταματά και τις δύο δράσεις. Ουσιαστικά, ο αναστολέας εξαπλώνεται μέσω του ιστού πιο γρήγορα από ό,τι ο ενεργοποιητής. Αυτή η ταχύτερη διάχυση του αναστολέα αποτρέπει τη διάχυση των θυλάκων ενεργοποίησης. Ανάλογα με το πότε και πού ακριβώς απελευθερώνονται ο ενεργοποιητής και ο αναστολέας, οι θύλακες ενεργοποίησης θα διατάσσονται ως κουκκίδες, λωρίδες ή άλλα μοτίβα σε τακτική απόσταση.

Η Catherine Boisvert, αναπτυξιακή βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Curtin στην Αυστραλία, εξηγεί ότι αυτό το σύστημα ενεργοποίησης-αναστολής είναι ένα ισχυρό αναπτυξιακό μοτίβο. Εάν προσπαθείτε να χτίσετε μια πλήρως διαμορφωμένη δομή, όπως ένα φτερό ή οδοντόκρεμα, «δεν μπορείτε να έχετε υπερπληθυσμό», είπε. "Χωρίς απόσταση μεταξύ τους, δεν πρόκειται ποτέ να αποκτήσετε μια ξεχωριστή οντότητα."

Σύμφωνα με τον Schier, το μοντέλο του Turing ενθουσιάζει τους αναπτυξιακούς βιολόγους επειδή «παρά την απλότητά του, μπορεί να εξηγήσει πολλά διαφορετικά μοτίβα». Ωστόσο, στην πράξη, πολύ λίγες περιπτώσεις διαμόρφωσης μοτίβων στη φύση έχουν καθοριστεί οριστικά σε έναν μηχανισμό παρόμοιο με τον Turing.

Δύο τέτοιες περιπτώσεις είναι στα μοτίβα που καθορίζουν τις θέσεις των τριχοθυλακίων στα ποντίκια και των φτερών στους νεοσσούς. Σε έναν αναπτυσσόμενο νεοσσό, τα πρωτο-φτερά αναδύονται διαδοχικά, σχηματίζοντας μια ενιαία ευθεία γραμμή κάτω από την πλάτη του νεοσσού. Αυτή η αρχική σειρά διεγείρει την παραγωγή παράλληλων σειρών που πέφτουν στις πλευρές του εμβρύου μέχρι να καλυφθεί. Ουσιαστικά, οι ερευνητές γνωρίζουν τα μόρια που εκτελούν ρόλους ενεργοποιητή και αναστολέα, επιβεβαιώνοντας ότι η διαδικασία μοιάζει με Turing.

Ο Rory Cooper, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο Fraser, σκέφτηκε ότι τα οδοντοστοιχία του καρχαρία φαινόταν να αναπτύσσονται παρόμοια. Ωστόσο, οι καρχαρίες και τα ξαδέρφια τους τα σαλάχια και οι ακτίνες, χωρίστηκαν από τα υπόλοιπα σπονδυλωτά πριν από 450 εκατομμύρια χρόνια.

«Κάθονται σε ένα πολύ ενδιαφέρον μέρος στο δέντρο της ζωής», είπε ο Κούπερ, καθώς εξήγησε ότι οι καρχαρίες προσφέρουν μια άποψη της πρώιμης ανάπτυξης των σπονδυλωτών. Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν τα θηλαστικά φυτρώσουν τρίχες και τα πουλιά φυτρώσουν φτερά, οι καρχαρίες είχαν «λέπια» οδοντωτών που κάλυπταν το δέρμα τους σαν πανοπλία. (Είναι η αρχαιότερη εν ζωή γενεαλογία σπονδυλωτών με οποιοδήποτε είδος δέρματος.) Τα σχέδια, οι μορφές και οι λειτουργίες των οδοντοστοιχιών είναι ποικίλα:Οι παχιά επικαλυπτόμενες οδοντοστοιχίες παρέχουν σε ορισμένους καρχαρίες επιπλέον προστασία, ενώ τα πιο αραιά και κομψά σχέδια μειώνουν την αντίσταση για τους πιο εύστροφους καρχαρίες. Σε ορισμένα είδη καρχαριών, οι οδοντοστοιχίες φιλοξενούν ακόμη και βιοφωταύγεια βακτήρια που βοηθούν την επικοινωνία. Ωστόσο, παρά κάποιες μικρές διαφορές, οι ομοιότητες του αναπτυξιακού μοτίβου μεταξύ των οδοντοστοιχιών, των μαλλιών και των φτερών είναι αναμφισβήτητες.

Για να αποδείξουν ότι το μοτίβο της οδοντοστοιχίας του καρχαρία θα μπορούσε κατ' αρχήν να προκύψει από έναν μηχανισμό παρόμοιο με τον Turing, οι συνάδελφοι του Fraser κατασκεύασαν ένα μαθηματικό μοντέλο αλληλεπιδράσεων ενεργοποιητή και αναστολέα. Ασχολήθηκαν με τους ρυθμούς διάχυσης, παραγωγής και αποδόμησης των δύο μορφογόνων έως ότου το μοντέλο παρήγαγε μοτίβα που ταιριάζουν με αυτά του αναπτυσσόμενου δέρματος καρχαρία. «Το μοντέλο μας είπε ότι, θεωρητικά, ένας μηχανισμός παρόμοιος με τον Τούρινγκ θα μπορούσε να εξηγήσει το σχηματισμό προτύπων στους καρχαρίες», είπε ο Κούπερ.

Τα μοριακά θεμέλια της ανάπτυξης της οδοντοστοιχίας δεν ήταν γνωστά, όπως ήταν και για τα φτερά. Δεδομένης της ομοιότητας στην ανάπτυξη, ωστόσο, τα γονίδια του νεοσσού ήταν ένα καλό μέρος για να ξεκινήσετε. Όταν ο Cooper χρησιμοποίησε τον in situ υβριδισμό, μια τεχνική που μπορεί να φωτίσει την έκφραση γονιδίων σε αναπτυσσόμενο ιστό, είδε ότι τα ίδια γονίδια ανάβουν κατά τη διάρκεια του σχηματισμού σχεδίων τόσο στους νεοσσούς όσο και στους καρχαρίες. "Όχι μόνο αυτά τα γονίδια εκφράζονται όταν εμφανίζονται τα [οδοντοστοιχία], αλλά στην πραγματικότητα εκφράζονται στα ίδια στρώματα ιστού, κάτι που είναι αρκετά ισχυρή διατήρηση", είπε ο Cooper.

Η επίδειξη παρόμοιας γονιδιακής έκφρασης για παρόμοιες διεργασίες είναι ένα καλό πρώτο βήμα, αλλά το χρυσό πρότυπο της απόδειξης στην αναπτυξιακή βιολογία είναι ένα πείραμα νοκ-νάουν:Εάν μειώσετε ή εξαλείψετε την έκφραση ενός γονιδίου και το πρότυπο εξαφανιστεί, αυτό το γονίδιο πρέπει να παίξει ένα σημαντικό ρόλο στην παραγωγή προτύπων. Για να το κάνει αυτό, ο Cooper φόρτωσε σε μικροσκοπικές χάντρες μια χημική ουσία που αναστέλλει τον ενεργοποιητή των φτερών νεοσσού. Στη συνέχεια εμφύτευσε τις χάντρες δίπλα σε πρωτοδοντάκια στο έμβρυο του καρχαρία και παρακολούθησε καθώς ο καρχαρίας μεγάλωνε.

Τα αποτελέσματα ήταν ξεκάθαρα. Τα σφαιρίδια, σχεδιασμένα για να αναστέλλουν την έκφραση των γονιδίων ενεργοποιητών σε ένα πουλί, θα μπορούσαν να φτάσουν σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης και να ασκήσουν το ίδιο αποτέλεσμα σε έναν καρχαρία. Ο Cooper διαπίστωσε ότι η έκφραση του γονιδίου του ενεργοποιητή κατρακύλησε δίπλα στα σφαιρίδια, σχηματίζοντας μια επίπεδη «νεκρή ζώνη» χωρίς οδοντοστοιχίες.

"Τα αποτελέσματα αυτών των χειρισμών αποδεικνύουν ότι αυτός ο μηχανισμός διατηρείται σε βάθος", είπε ο Schier.

Για να ελέγξουν εάν ένας μηχανισμός που μοιάζει με Turing θα μπορούσε να δημιουργήσει το ευρύ φάσμα των οδοντόμορφων μοτίβων που παρατηρούνται σε άλλους καρχαρίες και τους συγγενείς τους, οι ερευνητές τροποποίησαν τους ρυθμούς παραγωγής, αποδόμησης και διάχυσης του ενεργοποιητή και του αναστολέα στο μοντέλο τους. Βρήκαν ότι σχετικά απλές αλλαγές θα μπορούσαν να παράγουν μοτίβα που ταιριάζουν σε μεγάλο μέρος της ποικιλομορφίας που παρατηρείται σε αυτή τη γενεαλογία. Τα σαλάχια, για παράδειγμα, τείνουν να έχουν πιο αραιά μοτίβα οδοντοστοιχίες. είτε αυξάνοντας τον ρυθμό διάχυσης είτε μειώνοντας τον ρυθμό αποικοδόμησης του αναστολέα, οι ερευνητές θα μπορούσαν να κάνουν πιο αραιά μοτίβα να εμφανιστούν.

Μόλις καθοριστεί το αρχικό μοτίβο, άλλοι μηχανισμοί μη Turing ολοκληρώνουν τη μετατροπή αυτών των σειρών σε πλήρως σχηματισμένα οδοντοστοιχία, φτερά ή άλλα επιθηλιακά προσαρτήματα. «Έχετε αυτούς τους βαθιά διατηρημένους κύριους ρυθμιστικούς μηχανισμούς που δρουν νωρίς στην ανάπτυξη αυτών των εξαρτημάτων», εξήγησε ο Boisvert, «αλλά κατάντη, ειδικοί για τα είδη μηχανισμοί ξεκινούν για να τελειοποιήσουν αυτή τη δομή». Ωστόσο, ο Boisvert τόνισε πόσο αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι ο μηχανισμός που κρύβεται πίσω από τόσα πολλά διαφορετικά βιολογικά πρότυπα θεωρητικοποιήθηκε «από έναν μαθηματικό χωρίς βιολογική εκπαίδευση, σε μια εποχή που λίγα πράγματα για τη μοριακή βιολογία ήταν κατανοητά».

Οι μηχανισμοί Turing θεωρητικά δεν είναι οι μόνοι τρόποι δημιουργίας προτύπων, αλλά η φύση φαίνεται να τους ευνοεί. Σύμφωνα με τον Fraser, η εξάρτηση από αυτόν τον μηχανισμό από τόσες πολλές μακρινές ομάδες οργανισμών υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει κάποιο είδος περιορισμού. «Μπορεί απλώς να μην υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορείτε να διαμορφώσετε κάτι», είπε. Μόλις εμφανιστεί ένα σύστημα, ειδικά ένα τόσο απλό και ισχυρό όπως ο μηχανισμός Turing, η φύση τρέχει μαζί του και δεν κοιτάζει πίσω.

«Η βιολογική ποικιλότητα, σε γενικές γραμμές, βασίζεται σε ένα αρκετά περιορισμένο σύνολο αρχών που φαίνεται να λειτουργούν και επαναχρησιμοποιούνται ξανά και ξανά στην εξέλιξη», είπε ο Fraser. Η φύση, σε όλη της την πληθωρική εφευρετικότητα, μπορεί να είναι πιο συντηρητική από όσο νομίζαμε.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .