Mønsterdannelse - turbulensens paradoksale rolle

Dannelsen af ​​selvorganiserende molekylære mønstre i celler er en kritisk komponent i mange biologiske processer. Forskere fra Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har foreslået en ny teori for at forklare, hvordan sådanne mønstre opstår i komplekse naturlige systemer.

Mange biologiske processer er afgørende afhængige af dannelsen af ​​ordnede fordelinger af specifikke molekyler i celler. Disse mønstre er selvorganiserende strukturer, der udvikler sig på en forudsigelig måde i tid og rum. Det måske mest kendte eksempel på intracellulært proteinmønster er det molekylære maskineri, der orkestrerer den regelmæssige adskillelse af komplette kromosomsæt til de to datterceller under celledeling.

Den klassiske teori om mønsterdannelse er baseret på kemiske systemer, der er tæt på ligevægt. Men sådanne stater findes sjældent fysisk, kemiske eller biologiske systemer, hvor selvorganiseret mønster typisk observeres. Som regel, disse systemer viser sig at være meget langt fra ligevægt, en tilstand, der opretholdes ved hjælp af energi. De mekanismer, der skaber og stabiliserer ordnede strukturer under disse betingelser, er dårligt forstået. LMU-fysikere Erwin Frey og Jacob Halatek har nu introduceret en ny teoretisk ramme, der kan redegøre for mønsterdannelse i ikke-ligevægtssystemer. Den nye teori er beskrevet i tidsskriftet Naturfysik .

Frey og Halatek fokuserede deres opmærksomhed på dynamiske systemer, der er drevet af massebevarende interaktioner-dvs. kemiske reaktioner. I biologiske systemer, mønsterdannelse manifesterer sig primært i den dynamiske omfordeling af specifikke proteiner. I mange af disse systemer, dynamikken afhænger af ændringer i proteinmolekylernes konformationer, der gør dem i stand til at skifte mellem en membranbundet tilstand og en frit diffunderende tilstand i cellens opløselige fase. "Det, vi observerer som et proteinmønster, er normalt et specifikt rumligt arrangement, en ikke-ensartet tæthed, af et protein, på en membranoverflade, "siger Halatek.

Mønsterdannelse skyldes, at fordelingen af ​​et givet protein mellem membranen og den cytosoliske fase konstant ændrer sig, selvom dens samlede koncentration i cellen forbliver konstant. "Dynamikken i mønsterdannelse i et så komplekst og udvidet system som en biologisk celle er, imidlertid, meget svært at fange, selv i simuleringer, "siger Halatek." Derfor opdelte vi de data, der blev brugt i vores simuleringer af mønsterdannelse i store systemer i et gitter af meget mindre rum, som er koblet til hinanden. "

Den lokale densitet af membranbundne og cytosoliske proteiner bestemmer den kemiske ligevægt i hvert rum-sådan at ændringer i forholdet mellem cytosoliske og membranbundne former af proteiner resulterer i et skift af ligevægten. Halatek og Frey viste, at mønsterdannelse er en konsekvens af disse skift i lokale kemiske ligevægte. "Omfordelingen af ​​proteinerne er drevet af diffusion. Diffusion i sig selv ville i sidste ende føre til en homogen fordeling af alle proteinsorter i hele cellemængden, "siger Halatek. Det er derfor vigtigt for mønsterdannelse, at der opretholdes en diffusionsgradient i systemet, så omfordeling af proteinerne altid er mulig. Af denne grund, mønsterdannelse i biologiske systemer afhænger af enzymatiske reaktioner, der ændrer konformationerne af de pågældende proteiner, at gøre dem i stand til at binde til membranen, for eksempel."

De to fysikere anvendte deres nye teori på Min-systemet-et sæt med tre proteiner, der findes i den stavformede bakterie Escherichia coli, som interagerer for at generere et selvorganiserende mønster, der bestemmer spaltningsplanet under celledeling. De observerede en anden konsekvens af den dynamiske destabilisering af lokale ligevægter på grund af massetransport - fremkomsten af ​​kemisk turbulens. "Disse turbulenser, imidlertid, ikke resultere i det fuldstændige tab af orden, som klassiske teorier antyder, "siger Frey." I vores konceptuelle rammer, netop det modsatte sker. Når vi destabiliserer systemet, vi observerer, at turbulens udvikler sig relativt hurtigt. Men ved yderligere forstyrrelse, systemet gennemgår en overgang, hvor det er langt fra ligevægt, men ikke desto mindre klart beordret og ikke-turbulent. "Frey og Halatek sammenligner denne type adfærd med effekten af ​​en hjertestarter, som modvirker arytmier ved at anvende elektriske impulser for at genoprette det normale mønster for impulsledning. "Vores model forklarer, hvordan 'pacemakere' kan opstå ved selvorganisering i ikke-ligevægtssystemer, "siger Halatek." Med andre ord, vi kan give et klart svar på spørgsmålet:Hvilken del af 'jeget' er ansvarlig for 'organisationen?' Denne rolle udføres af de ustabile tilstande ('kontroltilstande'), der ændrer positionen og stabiliteten af ​​de lokale ligevægte, der driver systemets tidsudvikling. "