Komplekse mønstre:Byg en bro fra det store til det lille

For mange processer, der er vigtige for livet, såsom celledeling, cellemigration og udvikling af organer, er den rumlige og tidsmæssige korrekte dannelse af biologiske mønstre afgørende. For at forstå disse processer består hovedopgaven ikke i at forklare, hvordan mønstre dannes ud af en homogen starttilstand, men i at forklare, hvordan simple mønstre ændres til stadig mere komplekse. At belyse mekanismerne i denne komplekse selvorganisering på forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer er en nøgleudfordring for videnskaben.

Såkaldte "grovkornede" teknikker gør det muligt at forenkle sådanne flerskalasystemer, således at de kan beskrives med en reduceret model i store længde- og tidsskalaer. "Prisen, man betaler for grovkorning, er imidlertid, at vigtig information om mønstrene i små skalaer – som mønstertypen – går tabt. Men sagen er, at disse mønstre spiller en afgørende rolle i biologiske systemer. For at give et eksempel , de styrer vigtige cellulære processer," forklarer Laeschkir Würthner, medlem af teamet ledet af LMU-fysiker Prof. Erwin Frey og hovedforfatter af en ny undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences der overvinder dette problem.

Freys team har i samarbejde med forskergruppen af ​​prof. Cees Dekker (TU Delft) udviklet en ny grovkornet tilgang til såkaldte massebevarende reaktionsdiffusionssystemer, hvor den storstilede analyse af de samlede tætheder af de involverede partikler muliggør forudsigelse af mønstre i små skalaer.

Forskerne illustrerede potentialet i deres tilgang med Min-proteinsystemet, en paradigmatisk model for biologisk mønsterdannelse. Bakterien E. coli bruger forskellige Min-proteiner, der cirkulerer i en celle til at bestemme, hvor celledeling finder sted. En afgørende faktor her er, at de involverede proteiner forekommer med forskellige frekvenser afhængigt af deres placering i cellen og kemiske tilstand - hvilket vil sige, at de har en række forskellige tætheder.

"Vi har nu formået at reducere kompleksiteten af ​​dette system ved at udvikle en teori, der udelukkende er baseret på proteinernes samlede tætheder, således at vi fuldstændigt kan spejle dynamikken i mønsterdannelsen," siger Frey. "Dette er en enorm reduktion. De numeriske beregninger er nu udført på få minutter i stedet for måneder."

Forskerne var i stand til eksperimentelt at bekræfte teoretiske forudsigelser af modellen, ifølge hvilken fordelingen af ​​proteinerne afhænger af miljøets geometri. De gjorde dette ved at rekonstruere Min-proteinsystemet i en in vitro-flowcelle, hvor resultaterne viste de samme proteinmønstre, som blev afsløret i simuleringen.

"En sådan rekonstruktion af information i en lille skala fra reduceret dynamik på makroskopisk niveau åbner nye veje for en bedre forståelse af komplekse multiskalasystemer, som forekommer i en bred vifte af fysiske systemer," siger Frey. + Udforsk yderligere

Biologiske mønsterdannende systemer karakteriseret bedre gennem geometri end simuleringer