Shkencëtarët zbulojnë sekretin pas modeleve misterioze të lëkurës së kafshëve

Modelet në lëkurën e kafshëve, të tilla si vijat e zebrës dhe njollat ​​me ngjyra të bretkosave helmuese, shërbejnë për funksione të ndryshme biologjike, duke përfshirë rregullimin e temperaturës , kamuflimin dhe sinjalet paralajmëruese .

Ngjyrat që përbëjnë këto modele duhet të jenë të dallueshme dhe të ndara mirë që të jenë efektive. Për shembull, si një sinjal paralajmërues, ngjyrat e dallueshme i bëjnë ato qartë të dukshme për kafshët e tjera. Dhe si kamuflazh, ngjyrat e ndara mirë i lejojnë kafshët të përzihen më mirë me mjedisin e tyre.

Në kërkimin tonë të sapobotuar në Science Advances , studenti im Ben Alessio dhe unë propozojmë një mekanizëm të mundshëm që shpjegon se si formohen këto modele dalluese – që mund të zbatohen potencialisht në diagnostikimin mjekësor dhe materialet sintetike.

Një eksperiment mendimi mund të ndihmojë në vizualizimin e sfidës së arritjes së modeleve të veçanta të ngjyrave. Imagjinoni të shtoni butësisht një pikë ngjyrë blu dhe të kuqe në një filxhan me ujë.

Pikat do të shpërndahen ngadalë në të gjithë ujin për shkak të procesit të difuzionit , ku molekulat lëvizin nga një zonë me përqendrim më të lartë në përqendrim më të ulët. Përfundimisht, uji do të ketë një përqendrim të barabartë të ngjyrave blu dhe të kuqe dhe do të bëhet vjollcë. Kështu, difuzioni tenton të krijojë uniformitet ngjyrash.

Natyrisht lind një pyetje: Si mund të formohen modele të dallueshme ngjyrash në prani të difuzionit?

Matematikani Alan Turing e trajtoi për herë të parë këtë pyetje në punimin e tij themelor të vitit 1952, ” Baza Kimike e Morfogjenezës “. Turing tregoi se në kushte të përshtatshme, reaksionet kimike të përfshira në prodhimin e ngjyrës mund të ndërveprojnë me njëri-tjetrin në një mënyrë që kundërshton difuzionin.

Kjo bën të mundur që ngjyrat të vetëorganizohen dhe të krijojnë rajone të ndërlidhura me ngjyra të ndryshme, duke formuar ato që tani quhen modele Turing.

Sidoqoftë, në modelet matematikore, kufijtë midis rajoneve të ngjyrave janë të paqartë për shkak të difuzionit. Kjo është ndryshe nga natyra, ku kufijtë janë shpesh të mprehtë dhe ngjyrat janë të ndara mirë.

Ekipi ynë mendoi se një e dhënë për të kuptuar se si kafshët krijojnë modele të veçanta ngjyrash mund të gjendet në eksperimentet laboratorike mbi grimcat me madhësi mikron, të tilla si qelizat e përfshira në prodhimin e ngjyrave të lëkurës së një kafshe.

Puna ime dhe puna nga laboratorë të tjerë zbuluan se grimcat me përmasa mikron formojnë struktura me shirita kur vendosen midis një rajoni me një përqendrim të lartë të substancave të tjera të tretura të tretura dhe një rajoni me një përqendrim të ulët të tretjeve të tjera të tretura.

Në kontekstin e eksperimentit tonë të mendimit, ndryshimet në përqendrimin e ngjyrave blu dhe të kuqe në ujë mund të shtyjnë grimcat e tjera në lëng të lëvizin në drejtime të caktuara. Ndërsa boja e kuqe lëviz në një zonë ku është në një përqendrim më të ulët, grimcat e afërta do të barten së bashku me të. Ky fenomen quhet difuzioforezë .

Ju përfitoni nga difuzioforeza sa herë që lani rrobat tuaja : Grimcat e papastërtive largohen nga rrobat tuaja ndërsa molekulat e sapunit shpërndahen nga këmisha juaj dhe në ujë.

Pyesim veten nëse modelet e Turing-ut të përbëra nga rajone të dallimeve të përqendrimit mund të lëvizin gjithashtu grimca me madhësi mikron. Nëse po, a do të ishin modelet që rezultojnë nga këto grimca të mprehta dhe jo të paqarta?

Për t’iu përgjigjur kësaj pyetjeje, ne kryem simulime kompjuterike të modeleve Turing – duke përfshirë gjashtëkëndëshat, vijat dhe pikat e dyfishta – dhe zbuluam se difuzioforeza i bën modelet që rezultojnë dukshëm më të dallueshme në të gjitha rastet.

Këto simulime të difuzioforezës ishin në gjendje të përsërisnin modelet e ndërlikuara në lëkurën e peshkut të zbukuruar të kutit dhe ngjalës së xhevahirit, gjë që nuk është e mundur vetëm përmes teorisë së Turingut.

Duke mbështetur më tej hipotezën tonë, modeli ynë ishte në gjendje të riprodhonte gjetjet e një studimi laboratorik se si bakteri E. coli lëviz ngarkesën molekulare brenda vetes. Difuzioforeza rezultoi në modele më të mprehta të lëvizjes, duke konfirmuar rolin e saj si një mekanizëm fizik pas formimit të modelit biologjik.

Për shkak se qelizat që prodhojnë pigmentet që përbëjnë ngjyrat e lëkurës së një kafshe janë gjithashtu të përmasave mikron, gjetjet tona sugjerojnë se difuzioforeza mund të luajë një rol kyç në krijimin e modeleve dalluese të ngjyrave më gjerësisht në natyrë.

Të kuptuarit sesi natyra programon funksione specifike mund t’i ndihmojë studiuesit të hartojnë sisteme sintetike që kryejnë detyra të ngjashme.

Eksperimentet laboratorike kanë treguar se shkencëtarët mund të përdorin difuzioforezë për të krijuar filtra uji pa membranë dhe mjete me kosto të ulët të zhvillimit të ilaçeve .

Puna jonë sugjeron që kombinimi i kushteve që formojnë modelet e Turingut me difuzioforezën mund të formojë gjithashtu bazën e njollave artificiale të lëkurës. Ashtu si modelet adaptive të lëkurës tek kafshët, kur modelet e Turing-ut ndryshojnë – le të themi nga gjashtëkëndëshat në vija – kjo tregon dallime themelore në përqendrimet kimike brenda ose jashtë trupit.

Njollat ​​e lëkurës që mund t’i kuptojnë këto ndryshime mund të diagnostikojnë kushtet mjekësore dhe të monitorojnë shëndetin e pacientit duke zbuluar ndryshime në shënuesit biokimikë. Këto njolla të lëkurës mund të ndjejnë gjithashtu ndryshime në përqendrimin e kimikateve të dëmshme në mjedis.

Simulimet tona u fokusuan ekskluzivisht në grimcat sferike, ndërsa qelizat që krijojnë pigmente në lëkurë vijnë në forma të ndryshme. Efekti i formës në formimin e modeleve të ndërlikuara mbetet i paqartë.

Për më tepër, qelizat e pigmentit lëvizin në një mjedis biologjik të komplikuar. Nevojiten më shumë kërkime për të kuptuar se si ai mjedis pengon lëvizjen dhe potencialisht ngrin modelet në vend.

Përveç modeleve të lëkurës së kafshëve, modelet Turing janë gjithashtu vendimtare për procese të tjera si zhvillimi embrional dhe formimi i tumorit . Puna jonë sugjeron që difuzioforeza mund të luajë një rol të nënvlerësuar, por të rëndësishëm në këto procese natyrore.

Studimi se si formohen modelet biologjike do t’i ndihmojë studiuesit të lëvizin një hap më pranë imitimit të funksioneve të tyre në laborator – një përpjekje e vjetër që mund të përfitojë shoqërinë.