Biološki procesi zavise od spajanja i interakcije delova slagalice. Pod određenim uslovima, ove interakcije mogu stvoriti nešto novo bez spoljnog uticaja. Ovo se zove samoorganizacija, kao što se vidi u jatu riba ili jatu ptica. Zanimljivo je da se embrion sisara razvija slično.
U članku objavljenom u časopisu PNAS, David Bruckner i Gašper Tkačik sa Instituta za nauku i tehnologiju Austrije (ISTA) uvode matematički okvir koji analizira ovaj proces i predviđa njegove optimalne parametre. Ovaj pristup predstavlja objedinjujući matematički jezik za opisivanje biološke samoorganizacije u embrionalnom razvoju i šire.
Kada se embrion razvije, potrebno je stvoriti mnogo tipova ćelija sa različitim funkcijama. Na primer, neke ćelije će postati deo oka i snimati vizuelne stimuluse, dok će druge biti deo creva i pomoći u varenju hrane. Da bi odredile svoje uloge, ćelije stalno komuniciraju jedna sa drugom koristeći hemijske signale.
Zahvaljujući ovoj komunikaciji, tokom razvoja sve je dobro sinhronizovano i koordinisano, a ipak ne postoji centralna kontrola odgovorna za to. Ćelijski kolektiv je samoorganizovan i orkestriran interakcijama između pojedinaca. Svaka ćelija reaguje na signale svojih suseda. Na osnovu takve samoorganizacije, embrion sisara se razvija od jedne oplođene jajne ćelije u višećelijski organizam.
U prirodi, samoorganizacija je svuda oko nas: možemo je posmatrati u ribljim jatama, ptičjim jatima ili kolektivima insekata, pa čak i u mikroskopskim procesima koje regulišu ćelije. NOMIS saradnik i ISTA postdoc David Bruckner je zainteresovan za bolje razumevanje ovih procesa sa teorijske tačke gledišta. Njegov fokus leži na embrionalnom razvoju — složenom procesu kojim upravljaju genetika i ćelije koje međusobno komuniciraju.
Tokom embrionalnog razvoja, jedna oplođena ćelija pretvara se u višećelijski embrion koji sadrži organe sa puno različitih karakteristika. „Za mnoge korake u ovom razvojnom procesu, sistem nema ekstrinzični signal koji ga usmerava šta da radi. Postoji suštinsko svojstvo sistema koje mu omogućava da uspostavi obrasce i strukture“, kaže Brikner. „Intrinzično svojstvo je ono što je poznato kao samoorganizacija.
Čak i sa nepredvidivim faktorima — koje fizičari nazivaju „šumom“ — embrionalni obrasci se formiraju pouzdano i dosledno. Poslednjih godina, naučnici su stekli dublje razumevanje molekularnih detalja koji pokreću ovaj složeni proces. Međutim, nedostajao je matematički okvir za analizu i kvantifikaciju njegovog učinka. Jezik teorije informacija daje odgovore.
Premošćivanje stručnosti
„Teorija informacija je univerzalni jezik za kvantifikaciju strukture i pravilnosti u statističkim ansamblima, koji su kolekcija replika istog procesa. Embrionalni razvoj se može posmatrati kao takav proces koji reproduktivno generiše funkcionalne organizme koji su veoma slični, ali ne i identični,“ kaže Gašper Tkačik, profesor na ISTA i stručnjak za ovu oblast.
Tkačik je proučavao kako se informacije obrađuju u biološkim sistemima, na primer u embrionu muve. „U ranom embrionu muve obrasci nisu samoorganizovani“, nastavlja on. „Majka muva stavlja hemikalije u jaje koje upućuju ćelije na to koje radnje da preduzmu.“
Pošto je grupa Tkačik već razvila okvir za ovaj sistem, Bruckner je posegnuo za razvojem okvira i za embrion sisara. „Sa Gašperovom ekspertizom u teoriji informacija, uspeli smo da je spojimo,“ dodaje Brikner.
Tokom embrionalnog razvoja, ćelije razmenjuju signale i stalno su podložne nasumičnim, nepredvidivim fluktuacijama (šumu). Stoga, ćelijske interakcije moraju biti robusne. Novi okvir meri kako su ove interakcije moguće optimizovati da izdrže buku. Koristeći kompjuterske simulacije ćelija u interakciji, naučnici su istražili uslove pod kojima sistem i dalje može imati stabilan konačni rezultat uprkos uvođenju fluktuacija.
Iako se okvir pokazao uspešnim na tri različita razvojna modela koji se svi oslanjaju na hemijsku i mehaničku signalizaciju, biće potreban dodatni rad da bi se primenio na eksperimentalna snimanja razvojnih sistema.
„U budućnosti želimo da proučavamo složenije modele sa više parametara i dimenzija“, kaže Tkačik.
„Kvantifikujući složenije modele, takođe bismo mogli da primenimo naš okvir na eksperimentalno izmerene obrasce hemijskih signala u razvoju embriona“, dodaje Bruckner. U tu svrhu, dva teoretičara će se udružiti sa eksperimentalcima.
