科学家在大肠杆菌菌落中创造出新的“转向模式”

在他去世前不久，Alan Turing出版了一个挑衅的论文，概述了他的理论，了解自然界中的复杂，不规则模式如何 - 他的豹纹方式如何得到它的斑点。这些所谓的图案已经在物理和化学中观察到，并且日益增长的证据表明它们也发生在生物系统中。现在，西班牙科学家团队在实验室中设法调整大肠杆菌，使得殖民地展示了分支图案，根据杂志的杂志上发表的一篇文章。

＆＃34;通过使用合成生物学，我们有一个独特的机会来询问生物结构及其生成潜力，＆＃34;在西班牙巴塞罗那的Coppeu Fabra主席的Co-Adsult RicardHoté表示，Santa Fe Institute也是一个外部教授。 ＆＃34;是在自然中发现的观察机制是创建模式生成它们的唯一解决方案，还是有替代方案？＆＃34;

在合成生物学中，科学家们通常缝合长长的DNA - 这可以在其他生物中发现，并完全是新的 - 并将它们插入生物体和＃39; S基因组。

正如我们以前报道的那样，图灵试图了解如何出现自然，非爆发模式（如斑马和＃39; S条纹或豹纹＆＃39; s斑点），他的重点是他精彩的化学品1952年纸。他设计了一种涉及活化剂化学物质之间的相互作用的机制，其表达独特的特征（如虎＆＃39; s条纹）和抑制剂化学物质，所述抑制剂化学物质致力于关闭活化剂＆＃39; s表达。

在整个系统中扩散的活化剂和抑制剂均相似，就像气体原子一样在封闭的盒子中。它有点像将一滴黑墨水注入水的烧杯中。通常这将稳定系统：水会逐渐变灰色。但是，如果抑制剂以比活化剂更快的速率扩散，则该过程不稳定。这种机制将产生所谓的＆＃34;图案模式＆＃34 ;:斑点（如豹子上）或条纹（如虎在虎上）。

James Murray是牛津大学的数学生物学教授和普林斯顿的应用数学家，想象了一条干草的领域，用蚱蜢为我在2013年为量子写的一篇文章：

如果在几个随机点被着火并且没有水分抑制火焰，默里说，火灾会表示，火灾会折叠整个领域。然而，如果这种场景像一个图灵机制一样，来自侵犯火焰的热量会导致一些逃离的蚱蜢汗水，抑制它们周围的草，从而在其他燃烧的场中产生周期性的未燃烧点。

科学家试图将这一基本概念应用于许多不同类型的系统。例如，大脑中的神经元可以充当激活剂和抑制剂，具体取决于它们是否会放大或抑制附近其他神经元的放电，这可能是我们幻觉时看到某些模式的原因。有证据表明斑马鱼条纹，老鼠的毛囊之间的间距，鸟的皮肤上的羽毛芽，老鼠的the上的脊以及数字上的图灵机制起作用老鼠的爪子。某些种类的地中海蚂蚁会将蚂蚁的尸体堆积成似乎表现出图灵图案的结构，并且有证据表明墨西哥咖啡农场的阿兹台克蚂蚁菌落的运动具有图灵图案。

从本质上讲，它是一种对称破坏。充当激活剂和抑制剂的任何两个过程都会产生周期性模式，并且可以使用Turing的扩散函数进行建模。挑战正在从图灵公认的简化模型转变为精确定位激活剂和抑制剂角色的精确机制。这在生物学上尤其具有挑战性，在生物学中，科学家渴望对如何从完全同质的组织中出现复杂的胚胎这一问题给予更多的了解。

在这项最新研究中，Solé和他的合作者选择与大肠杆菌菌落一起工作，对细菌进行基因改造以引入一种产生空间模式的机制。 ＆＃34;我们希望建立一种对称性破坏，这种破坏在大肠杆菌菌落中从未见过，但在动物的模式中却可见，然后发现哪些是产生这些模式所需的必要成分，＆＃34;共同作者Salva Duran-Nebreda说，他现在是巴塞罗那Evolutiva生物研究所的博士后。

Solé的团队在蚂蚁和白蚁如何筑巢的潜在机制中找到了灵感。他们改变后的大肠杆菌系统由三个关键组成部分组成：一组正常大小的细胞，它们正常分裂并扩散（激活剂）；一组不能分裂或扩散的细长细胞（抑制剂）；以及一种称为内酯的分子，该分子有助于调节大肠杆菌中的基因表达，使它们能够通过所谓的群体感应进行交流。

然后研究人员观察了菌落如何生长和进化。形状开始是一个圆形，但随着时间的推移，它不断向外扩展，菌落开始有规律地间隔开的“分支”。围绕图灵的理论，就像一朵有花瓣的花。

＆＃34;我们已经看到，通过调节三种成分，我们可以诱导对称性破坏。从本质上讲，我们已经改变了细胞分裂，细胞之间的粘附力和远距离通讯能力（群体感应），也就是说，当有集体决策时，我们会感知到，＆＃34;杜兰·内布雷达说。

作者希望将他们的发现应用于其他生物系统，例如社交昆虫。他们的工作提供了一个新的概念框架，可以在微生物群落中创建类似图灵的模式，而这项研究的意义远远超出了这种特定的实现方式，＆＃34; Solé说。我们怀疑图灵所设想的那种自组织原理隐藏在纠缠的基因相互作用的复杂性中。