Confermati i modelli matematici delle forme naturali, ideati 60 anni fa da Alan Turing
Perché il nostro cuore è a sinistra e il fegato a destra? Come si formano le strisce di zebre e tigri? E le chiazze del leopardo? Alan Turing nel 1952 ipotizzò che le posizioni e le ripetizioni di colori e forme nei sistemi biologici fossero generate da sostanze che si comportano da attivatori e inibitori.
Un gruppo di ricercatori di Harvard ha scoperto che Nodal e Lefty, due proteine implicate nella regolazione dell'asimmetria nei vertebrati, combaciano con il modello descritto da Turing 60 anni fa.
In questo modello denominato Gierer-Meinhardt si dimostra che le interazioni tra inibitore e attivatore possono portare a una grande varietà di modelli. Negli ultimi 20 anni sono state scoperte numerose coppie attivatore-inibitore e si è riscontrato che manipolandole viene modificata la dislocazione e la forma dei disegni durante lo sviluppo. Nello studio, pubblicato su Science (online il 12 Aprile 2012), Alexander Schier, docente di biologia molecolare e cellulare a Harvard, e i suoi collaboratori Patrick Müller, Katherine Rogers, Ben Jordan, Joon Lee, Drew Robson e Sharad Ramanathan, hanno dimostrato che Nodal e Lefty sono alla base del sistema di attivazione-inibizione, e che la proteina che funge da attivatore (Nodal) si muove molto più lentamente rispetto alla proteina che si comporta da inibitore (Lefty).
In uno studio pubblicato su Nature Genetics (online il 19 Febbraio 2012) un gruppo di ricercatori del King's College di Londra, guidati da Jeremy B A Green, aveva fornito di fatto la prima prova sperimentale che conferma la teoria di Turing per modelli biologici come le strisce della tigre e le macchie del leopardo. I ricercatori hanno identificato i morfogeni coinvolti in questo processo: FGF (fattore di crescita dei fibroblasti) e Shh (Sonic Hedgehog). E hanno dimostrato che all'aumentare o al diminuire dell'attività di questi morfogeni lo schema delle creste presenti all'interno della bocca (nel palato) segue gli andamenti previsti dalle equazioni di Turing.
Published Online April 12 2012
Science 11 May 2012:
Vol. 336 no. 6082 pp. 721-724
DOI: 10.1126/science.1221920
Periodic stripe formation by a Turing mechanism operating at growth zones in the mammalian palate
Andrew D Economou, Atsushi Ohazama, Thantrira Porntaveetus, Paul T Sharpe, Shigeru Kondo, M Albert Basson, Amel Gritli-Linde, Martyn T Cobourne, Jeremy B A Green.
Nature Genetics 44, 348–351 (2012) doi:10.1038/ng.1090
Published online: 19 February 2012
Abstract
We present direct evidence of an activator-inhibitor system in the generation of the regularly spaced transverse ridges of the palate. We show that new ridges, called rugae, that are marked by stripes of expression of Shh (encoding Sonic hedgehog), appear at two growth zones where the space between previously laid rugae increases. However, inter-rugal growth is not absolutely required: new stripes of Shh expression still appeared when growth was inhibited. Furthermore, when a ruga was excised, new Shh expression appeared not at the cut edge but as bifurcating stripes branching from the neighboring stripe of Shh expression, diagnostic of a Turing-type reaction-diffusion mechanism. Genetic and inhibitor experiments identified fibroblast growth factor (FGF) and Shh as components of an activator-inhibitor pair in this system. These findings demonstrate a reaction-diffusion mechanism that is likely to be widely relevant in vertebrate development.
Un gruppo di ricercatori di Harvard ha scoperto che Nodal e Lefty, due proteine implicate nella regolazione dell'asimmetria nei vertebrati, combaciano con il modello descritto da Turing 60 anni fa.
In questo modello denominato Gierer-Meinhardt si dimostra che le interazioni tra inibitore e attivatore possono portare a una grande varietà di modelli. Negli ultimi 20 anni sono state scoperte numerose coppie attivatore-inibitore e si è riscontrato che manipolandole viene modificata la dislocazione e la forma dei disegni durante lo sviluppo. Nello studio, pubblicato su Science (online il 12 Aprile 2012), Alexander Schier, docente di biologia molecolare e cellulare a Harvard, e i suoi collaboratori Patrick Müller, Katherine Rogers, Ben Jordan, Joon Lee, Drew Robson e Sharad Ramanathan, hanno dimostrato che Nodal e Lefty sono alla base del sistema di attivazione-inibizione, e che la proteina che funge da attivatore (Nodal) si muove molto più lentamente rispetto alla proteina che si comporta da inibitore (Lefty).
In uno studio pubblicato su Nature Genetics (online il 19 Febbraio 2012) un gruppo di ricercatori del King's College di Londra, guidati da Jeremy B A Green, aveva fornito di fatto la prima prova sperimentale che conferma la teoria di Turing per modelli biologici come le strisce della tigre e le macchie del leopardo. I ricercatori hanno identificato i morfogeni coinvolti in questo processo: FGF (fattore di crescita dei fibroblasti) e Shh (Sonic Hedgehog). E hanno dimostrato che all'aumentare o al diminuire dell'attività di questi morfogeni lo schema delle creste presenti all'interno della bocca (nel palato) segue gli andamenti previsti dalle equazioni di Turing.
Andrea Mameli www.linguaggiomacchina.it 27 Settembre 2012
Differential Diffusivity of Nodal and Lefty Underlies a Reaction-Diffusion Patterning System
Patrick Müller, Katherine W. Rogers, Ben M. Jordan, Joon S. Lee, Drew Robson, Sharad Ramanathan, Alexander F. SchierPublished Online April 12 2012
Science 11 May 2012:
Vol. 336 no. 6082 pp. 721-724
DOI: 10.1126/science.1221920
Abstract
Biological systems involving
short-range activators and long-range inhibitors can generate complex
patterns. Reaction-diffusion models postulate that differences in signaling
range are caused by differential diffusivity of inhibitor and activator.
Other models suggest that differential clearance underlies different signaling ranges. To test these models, we measured the biophysical properties of the Nodal/Lefty activator/inhibitor system during zebrafish embryogenesis. Analysis of
Nodal and Lefty gradients revealed that Nodals have a shorter range than
Lefty proteins. Pulse-labeling analysis indicated that Nodals and Leftys
have similar clearance kinetics, whereas fluorescence
recovery assays revealed that Leftys have a higher effective diffusion
coefficient than Nodals. These results indicate that
differential diffusivity is the major determinant of the differences in
Nodal/Lefty range and provide biophysical support for
reaction-diffusion models of activator/inhibitor-mediated patterning.
Periodic stripe formation by a Turing mechanism operating at growth zones in the mammalian palate
Andrew D Economou, Atsushi Ohazama, Thantrira Porntaveetus, Paul T Sharpe, Shigeru Kondo, M Albert Basson, Amel Gritli-Linde, Martyn T Cobourne, Jeremy B A Green.
Nature Genetics 44, 348–351 (2012) doi:10.1038/ng.1090
Published online: 19 February 2012
Abstract
We present direct evidence of an activator-inhibitor system in the generation of the regularly spaced transverse ridges of the palate. We show that new ridges, called rugae, that are marked by stripes of expression of Shh (encoding Sonic hedgehog), appear at two growth zones where the space between previously laid rugae increases. However, inter-rugal growth is not absolutely required: new stripes of Shh expression still appeared when growth was inhibited. Furthermore, when a ruga was excised, new Shh expression appeared not at the cut edge but as bifurcating stripes branching from the neighboring stripe of Shh expression, diagnostic of a Turing-type reaction-diffusion mechanism. Genetic and inhibitor experiments identified fibroblast growth factor (FGF) and Shh as components of an activator-inhibitor pair in this system. These findings demonstrate a reaction-diffusion mechanism that is likely to be widely relevant in vertebrate development.
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