El problema de la morfogénesis
Todas las células de un organismo contienen el mismo ADN. Sin embargo, las células se diferencian: se convierten en células hepáticas, neuronas, células cutáneas, con formas y funciones completamente diferentes. Y los patrones espaciales surgen espontáneamente: las manchas en un leopardo, las rayas en una cebra, las espirales de una concha de nautilo. ¿Cómo surge la información posicional en un sistema químicamente uniforme? Este es el problema de la morfogénesis.
Sistemas de reacción-difusión
Turing propuso que dos sustancias químicas (un activador y un inhibidor) que se difunden a diferentes velocidades a través del tejido pueden romper espontáneamente la simetría espacial. El activador promueve su propia producción y la del inhibidor; el inhibidor suprime al activador. Si el inhibidor se difunde más rápido que el activador, surgen patrones espaciales estables (patrones de Turing): rayas, manchas o geometrías más complejas según los parámetros. La idea clave: un patrón biológico complejo puede surgir de una química simple sin un plano preexistente.
Confirmación y legado
Los patrones de Turing se confirmaron experimentalmente en sistemas químicos (reacción de Belousov-Zhabotinsky) y, décadas más tarde, en sistemas biológicos: el espaciado de los dedos (señalización BMP y Noggin), el patrón de los folículos pilosos y los patrones de pigmento en los peces. En 2012, un estudio confirmó que el patrón de crestas en el paladar de un ratón sigue el mecanismo de reacción-difusión de Turing. El artículo que Turing consideró un proyecto secundario menor se ha convertido en fundamental para la biología del desarrollo.
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¿De qué trata el artículo sobre la morfogénesis de Turing?
El artículo de Turing de 1952 'La base química de la morfogénesis' propone que dos sustancias químicas que se difunden a diferentes velocidades (un activador y un inhibidor de difusión más rápida) pueden generar espontáneamente patrones espaciales estables (patrones de Turing) en tejido químicamente uniforme. Este mecanismo, argumentó, subyace a la formación de patrones biológicos: marcas animales, espaciado de los dedos y desarrollo de órganos.
¿Son reales los patrones de Turing en la biología?
Sí. Los patrones de Turing se han confirmado en múltiples sistemas biológicos: el espaciado de los dedos está regido por la dinámica de reacción-difusión BMP-Noggin; el patrón de los folículos pilosos; la pigmentación de los peces (las rayas del pez cebra siguen las ecuaciones de Turing); y la formación de crestas palatinas en ratones (confirmado en 2012). El mecanismo que Turing describió en 1952 es ahora un concepto fundamental en la biología del desarrollo.
¿Qué es un sistema de reacción-difusión?
Un sistema de reacción-difusión involucra dos o más sustancias químicas que reaccionan entre sí (producción, destrucción, activación, inhibición) mientras también se difunden a través del espacio. Si las velocidades de reacción y difusión están en el régimen correcto, el sistema desarrolla espontáneamente patrones espaciales estables a partir de un estado inicialmente uniforme. Turing analizó esto por primera vez en un contexto biológico; las matemáticas se aplican a la química, la ecología y la ciencia de materiales.