Форма из пустоты: теория морфогенеза

Радужная окраска крыльев бабочки, полоски, украшающие зебру, пятна на шкуре леопарда, красота птичьих перьев — огромное разнообразие узоров у животных одновременно поражало и озадачивало ученых. Какие механизмы контролируют и направляют такое многообразие цвета и формы? Каким образом клетки делятся и упорядочиваются, формируя организм с руками и ногами, головой и хвостом? Ответы ускользали от исследователей веками и появились благодаря работе известного математика и теоретического биолога Алана Тьюринга: в 1952 году вышла его статья «Химическая основа морфогенеза», описавшая теоретическую основу формирования биологического паттерна.

Задолго до того, как ученые открыли гены Hox, отвечающие за процессы роста и деления клеток в организме, факторы транскрипции и даже структуру ДНК, у Тьюринга возникла идея о самоорганизации клеток в целые структуры. Знаменитый криптограф, который ускорил окончание Второй мировой войны, взломав код шифровальной машины Enigma, заинтересовался биологией и разработал элегантную математическую модель формирования узоров на теле у живых организмов. Его теория в общих чертах описала, как разновидности полос, пятен и чешуек могут возникнуть в результате взаимодействия двух простых гипотетических химических молекул — «морфогенов».

Теория Тьюринга была изящна и проста: любой повторяющийся естественный узор создается взаимодействием двух молекул с определенными характеристиками.

Морфогены в зависимости от своей концентрации распространяют сигналы, которые контролируют дифференцировку клеток. Они способны проникать в пространство вокруг клеток с разной скоростью и связываться с соответствующими рецепторами мембраны. Один морфоген активирует реакцию и увеличивает собственную продукцию, второй останавливает оба действия. Например, есть два морфогена: один из них делает кожу животного черной, второй является ингибитором этой реакции, и кожа белеет. Если просто смешать эти молекулы, то у животного получится серый цвет, а разные концентрации в определенных областях создадут различные оттенки и узоры.

По такому же принципу происходит организация формы тела: если определенный тип морфогена достигает необходимого уровня концентрации, он стимулирует рост эмбриона путем активации генов и тем самым стимулирует развитие структур. Второй морфоген в нужных областях подавляет действие первого.

Таким образом, благодаря математическому принципу, который Тьюринг назвал «реакция-диффузия», эти два компонента запускают дифференцировку клеток, образуют пятна и полосы на шкуре, телесные формы и конечности, которые можно наблюдать у живых существ.

Статья Тьюринга не привлекла большого внимания, так как тогда оно в большей степени досталось биологам Джеймсу Уотсону и Френсису Крику, когда те опубликовали свои работы о ДНК и направили развитие биологии в совершенно иное русло. В течение нескольких десятилетий отсутствие экспериментального подтверждения было камнем преткновения для сторонников Тьюринга. Лишь в 1960-х годах математики и биологи заново открыли давно забытую работу ученого, и только в 1990-х годах были открыты с помощью уравнений первые химические механизмы. И современные исследования находят все больше подтверждений теории морфогенеза.

В 2012 году группа исследователей в Великобритании под руководством профессора из Королевского колледжа в Лондоне Джереми Б.А. Грина определила морфогены, которые заставляют клетки формировать рисунок гребней и борозд, которые образуют небо мыши. Белок, называемый фактором роста фибробластов (FGF), служит активатором, а вариант гена, названный Sonic hedgehog (Shh), действует как ингибитор. Когда исследователи меняли активность этих молекул, структура трансформировалась именно так, как и предсказывало уравнение Тьюринга.

Дальнейшие исследования в Университетах Брендайса и Питтсбурга в 2014 году позволили смоделировать весь процесс в культуре синтетических клеток с помощью химических веществ, которые активируют и ингибируют реакции. Исследователи наблюдали пять из шести паттернов, предсказанных Тьюрингом. В этом же году в исследовании Центра геномного регулирования ученые во главе с профессором ICREA Джеймсом Шарпом обнаружили доказательства того, что пальцы рук и ног формируются по механизмам, описанным уравнениями Тьюринга.