Hvordan mønstre i naturen opstår og inspirerer alt fra videnskabelig teori til biologisk nedbrydelige materialer

Naturen er fuld af mønstre. Blandt dem er flisemønstre, som efterligner, hvad du ville se på et flisebelagt badeværelsesgulv, kendetegnet ved både fliser og grænseflader - såsom fugemasse - imellem. I naturen er en girafs farve et eksempel på et flisemønster. Men hvad får disse naturlige mønstre til at danne sig?

En ny undersøgelse fra University of Arizona bruger bakterier til at forstå, hvordan fliser og grænseflader bliver til. Resultaterne har betydning for forståelsen af, hvordan komplekst, flercellet liv kan have udviklet sig på Jorden, og hvordan nye biomaterialer kan skabes fra biologiske kilder.

I mange biologiske systemer er flisemønstre funktionelt vigtige. For eksempel har en flues vinger fliser og grænseflader. Vener, som giver stabilitet og indeholder nerver, er grænseflader, som deler en vinge op i mindre fliser. Og hos mennesker indeholder nethinden på bagsiden af ​​det indre øje celler, der er arrangeret som en mosaik af fliser for at behandle det, der er i vores synsfelt.

En hel del forskning har set på, hvordan sådanne mønstre kan etableres gennem biokemiske interaktioner. Mønstre kan dog også etableres gennem mekaniske interaktioner. Den proces er ikke så godt forstået.

Et nyt papir udgivet i Nature kaster nyt lys over mekanisk mønsterdannelse. Det blev ledet af tidligere UArizona postdoc-stipendiat Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, lektor i UArizonas afdeling for molekylær og cellulær biologi, er avisens seniorforfatter.

Riedel-Kruse-laboratoriet brugte i samarbejde med forskere fra Massachusetts Institute of Technology's Applied Mathematics Department bakterier til at modellere, hvordan flisemønstre kan opstå gennem mekaniske interaktioner.

Holdet udviklede forskellige klæbende eller klæbrige molekyler, der blev placeret på overfladen af ​​bakterieceller, hvilket gjorde det muligt for forskellige celletyper at selektivt klæbe sammen. Når disse ændrede bakterier derefter blev placeret på en petriskål, begyndte bakterierne at vokse mod hinanden. Når to forskellige bakterietyper mødtes, blev der enten dannet en grænseflade eller ej, afhængigt af om deres overfladeadhæsionsmolekyler var komplementære eller ej. Grænseflader var typisk en halv millimeter brede og tre til 10 millimeter lange og indeholdt millioner af bakterier. Mange sådanne grænseflader resulterede derefter i en række komplekse flisemønstre – afhængigt af de indledende bakterielle placeringer på petriskålen.

Forfatterne undersøgte derefter, hvilke typer flisemønstre der kunne genereres, og om der eksisterer en underliggende logik. De fandt ud af, at kun fire forskellige klæbende molekyler er tilstrækkelige til at lave ethvert muligt flisemønster. Flisemønstre kan variere i form, størrelse og placering af grænsefladerne.

"Vi beviste dette matematisk med den berømte fire-farve kortsætning, som siger, at der ikke er behov for mere end fire farver for at sikre, at to lande, der berører et politisk kort, ikke har den samme farve," sagde Riedel-Kruse.

Forskerne genererede mange forskellige mønstre på denne måde, inklusive et, der brugte grænseflader til at stave "U af A" til University of Arizona.

Ideerne foreslået af papiret kan i sidste ende føre til praktiske anvendelser.

Forskere kunne skabe mønstrede biomaterialer - som er lavet af levende ting og kan nedbrydes hurtigere end syntetiske materialer som plastik - med ønskede egenskaber. For eksempel kunne de skabe et materiale med et bestemt mønster, der kunne styre, hvor let væske flyder hen over materialets overflade.

"Ved at bruge logikken i denne forskning kan formen, strukturen, elasticiteten og endda hvordan væsken reagerer - går ind i materialet eller bliver frastødt - kan kontrolleres," sagde Riedel-Kruse. "Eller overvej mikrobielle biofabrikker til fremstilling af lægemidler og andre kemikalier. Vi kunne kontrollere, hvor forskellige bakterier placeres i forhold til hinanden for at udføre forskellige dele af en kompleks reaktion."

Det faktum, at der kun kræves fire adhæsioner for at skabe stort set alle mulige flisemønstre, giver også nye perspektiver på, hvordan komplekst flercellet liv kunne have udviklet sig på Jorden fra encellet liv.

"Opdagelsen af, at fire forskellige adhæsioner er alt, der skal til for at skabe meget forskellige flisebelægningsmønstre i livet, tyder på, at når tilstrækkeligt mange klæbekomponenter var tilgængelige, kunne udviklingsbiologi generere mange nye former," sagde Riedel-Kruse.