Investigadors del CRG confirmen que la teoria matemàtica proposta per Alan Turing en 1952 pot explicar la formació dels dits.

Published on August 1st, 2014

El matemàtic britànic Alan Turing (1912-1954) és reconegut mundialment per una sèrie de descobriments que van alterar profundament el segle XX. En 1936 va publicar un article que es va convertir en la base de la informàtica creant el primer concepte formal d’un algorisme informàtic. També va jugar un paper crucial en la Segona Guerra Mundial en dissenyar les màquines que van resoldre els codis secrets de l’Alemanya Nazi. I al final de la dècada dels anys 40, es va dedicar a aprofundir en la intel·ligència artificial i va proposar un desafiament, ara anomenat El Test de Turing, que segueix sent molt utilitzat avui en dia.

La seva contribució a la biologia matemàtica és menys coneguda però no per això menys important. Turing va publicar només un article (en 1952), però amb la seva aportació va provocar el desenvolupament de tota una nova àrea de recerca de les matemàtiques relacionada amb la creació de patrons en la naturalesa. Va descobrir un sistema de 2 molècules que podien, almenys en teoria, crear patrons de taques o de ratlles si les molècules es difonien i interactuaven químicament d’una determinada manera.

Les equacions matemàtiques mostraven que, partint d’una condició d’uniformitat (p. ex. una distribució homogènia, sense patrons o dissenys), aquestes molècules podrien autoorganitzar la seva concentració de manera espontània en un repetitiu patró. Aquesta teoria ha estat acceptada com a explicació de patrons senzills, com les ratlles de les zebres o fins i tot de les crestes que es formen en les dunes de sorra, però en el camp de l’embriologia encara no ha servit com a explicació satisfactòria de com es formen estructures com els dits.

Ara, un grup d’investigadors del laboratori de Biologia de Sistemes Multicel·lulars del CRG, coordinats per James Sharpe, Professor de Recerca ICREA i co-autor de l’estudi, ha aconseguit les tan anhelades dades suficients per confirmar que els dits de les mans i peus segueixen el model descrit pel mecanisme de Turing. “Aquest estudi complementa un d’anterior del mateix grup (Science 338:1476, 2012) que mostrava que els gens Hox i el Factor de Creixement de Fibroblastos (FGF) seguien un hipotètic patró de Turing. No obstant això, en aquest moment les molècules de Turing no havien estat identificades encara i la peça clau del trencaclosques seguia sense ser descoberta. “Aquest nou estudi resol l’enigma, demostrant què les molècules actuen com Turing va predir” comenta James Sharpe.

L’aproximació al problema es va realitzar a través de la Biologia de Sistemes. Els investigadors van combinar dades descobertes en el treball experimental amb dades del model matemàtic. Així, els primers autors de l’estudi van poder comprovar la seva hipòtesi basant-se en dades empíriques i en dades teòriques. El treball de Jelena Raspopovic va proporcionar les dades experimentals per al model i les simulacions per ordinador de Luciano Marcon van donar les prediccions que havien de ser comprovades amb els experiments.

En revisar l’expressió de determinats gens, els investigadors van trobar dues vies metabòliques que complien amb els requisits: BMP i WNT. Gradualment van construir el model matemàtic mínim compatible amb les dades i van trobar que les dues vies estaven relacionades a través d’una molècula, el factor de transcripcióSox9. Posteriorment van calcular els efectes de la inhibició d’aquestes vies metabòliques, tan individualment com per combinació de les dues, que predeien el canvi en el patró dels dits (predeien quants dits anava a tenir l’embrió). Quan els mateixos experiments van ser realitzats en les gemmes d’extremitats conreades en una caixa de Petri, es van observar les mateixes alteracions en els patrons dels dits que van ser observades en el model per ordinador.

“Entendre perfectament l’organització d’un organisme multicel·lular és essencial si volem desenvolupar estratègies efectives per a la medicina regenerativa i, per exemple, poder crear un dia teixits de reemplaçament per al nostre cos.”

Aquest resultat efectivament resol una pregunta del camp de l’embriologia, però les seves conseqüències afecten moltes àrees més enllà del desenvolupament dels dits. Permet abordar el debat de com els milions de cèl·lules del nostre cos són capaços d’autoorganitzar-se en una estructura tridimensional, al nostre fetge, cor i altres òrgans. Desafia doncs el domini d’una idea molt arrelada denominada “informació de posició” (positional information en anglès), proposta per Lewis Wolpert, que diu que les cèl·lules saben què fer perquè reben informació sobre les seves coordenades en l’espai (com la longitud i la latitud en un mapa de la terra). L’estudi publicat avui ressalta que, per contra, els mecanismes més locals d’acte-organització són més importants en organogènesis del que es creia.

Entendre perfectament l’organització d’un organisme multicel·lular és essencial si volem desenvolupar estratègies efectives per a la medicina regenerativa i, per exemple, poder crear un dia teixits de reemplaçament de diversos òrgans. A curt termini aquests resultats expliquen el perquè de la polidactília, el desenvolupament de dits de mes en peus i mans, és un defecte molt comú en humans: ara sabem que el sistema de Turing té una precisió gairebé igual que el model alternatiu a l’hora de regular el nombre de taques, ratlles, dits o qualsevol patró.

A primera vista, la pregunta sobre com es desenvolupa un embrió sembla no estar relacionada amb els problemes informàtics o els algoritmes amb els quals es relaciona més a Turing. No obstant això, respon als seus legítims interessos per entendre les complexes i enginyoses màquines presents en tota la naturalesa. D’una forma, Turing buscava els algorismes que la vida va utilitzar per desenvolupar-se. Aquest estudi, que ha confirmat una teoria de l’embriologia proposada fa 62 anys, reuneix els dos més grans interessos del científic.

Article relacionat:
J. Raspopovic; L. Marcon; L. Russo; J. Sharpe. Digit patterning is controlled by a Bmp-Sox9-Wnt Turing network modulated by morphogen gradients. Science, 2014. DOI: 10.1126/science.1252960

Enllaços d’interès:

Biologists Home in on Turing Patterns. Was Alan Turing right about the mechanism behind tiger stripes? (Quanta Magazine, http://www.simonsfoundation.org/quanta/20130325-biologists-home-in-on-turing-patterns/)

A. M. Turing. The Chemical Basis for Morphogenesis . Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, Vol. 237, No. 641. (Aug. 14, 1952), pp. 37-72.

Font i més informació: Juan Manuel Sarasua, Press Office at the CRG – juan.sarasua@crg.eu

Traducció al català: LCATM