Orvosi diagnózis és szintetikus anyagok az állatok mintázatának segítségével

A muréna angolnáknak jellegzetes mintázat van a bőrükön.

Az állatok bőrén lévő mintázat, mint például a zabra csíkok és a mérges béka színfoltjai, különböző biológiai funkciókat szolgál, például hőmérséklet szabályozás, álcázás, és figyelmeztető jelzések. A kutatók ebben a tanulmányban egy olyan potenciális mechanizmust vetnek fel, ami megmagyarázza, hogy ezek a megkülönböztető mintázatok hogy jönnek létre, és ami potenciálisan alkalmazható lehet az orvosi diagnózishoz és szintetikus anyagok tervezéséhez.. - írja a The Conversation.

A mintázatokat felépítő színeknek eltérőnek és jól elkülönültnek kell lenniük, hogy hatékony legyen Például, egy figyelmeztető jelzésnek világosan láthatónak kell lennie más állatok számára. És egy álcázó mintázat jól elszeparált színei lehetővé teszi az állatnak, hogy jobban beleolvadjon a környezetébe.

A Colorado Boulder Egyetem kutatói a Science Magazinban publikált tanulmányukban egy olyan potenciális mechanizmust vetnek fel, ami potenciálisan alkalmazható orvosi diagnózishoz és szintetikus anyagok tervezéséhez.

Egy gondolatkísérlet segít vizualizálni azt a feladatot, hogy elérjük a megkülönböztető színmintázatokat. Képzeljük el, hogy egy csésze vízhez finoman hozzáadunk egy kék és piros festékcseppet. A cseppek lassan diffundálnak a vízben: molekulák a nagyobb koncentrációjú területről a kisebb koncentrációjú felé mozognak. Végül, a kék és piros festék koncentrációja egyenletessé válik és a víz lila lesz. Ennélfogva, a diffúzió általában szín uniformitást hoz létre.

Felmerül a kérdés: Hogy jönnek létre a megkülönböztető mintázatok a diffúzió jelenlétében?

Mozgások és határok

Alan Turing először 1952-es dolgozatában (A morfogenezis kémiaia alapjai) foglalkozott a kérdéssel: Turing megmutatta, hogy megfelelő körülmények között a színt létrehozó kémiai reakciók kölcsönhatásba lépnek egymással oly módon, ami megakadályozza a diffúziót. Ez lehetővé teszi a színeknek az önszerveződést és a különböző színű régiókat összekapcsolja, létrehozva így az úgynevezett Turing-mintázatokat. Azonban, a matematikai modellekben, a szín régiók közti határok a diffúzió miatt elmosódottak. Ez eltér a természettől, ahol a határok gyakran élesek és a színek jól elkülönültek.

A muréna angolnáknak jellegzetes mintázat van a bőrükön. Forrás: https://theconversation.com/how-animals-get-their-skin-patterns-is-a-matter-of-physics-new-research-clarifying-how-could-improve-medical-diagnostics-and-synthetic-materials-217035

A jelen tanulmányban a csapat azt gondolta, hogy az állatok mintázatának létrejöttének kulcsa a mikron méretű részecskékben lehet, mint például azok a sejtek, amik létrehozzák egy állat bőrének a színeit. A kutatók azt találták, hogy amikor mikron méretű részecskéket más anyagok nagy koncentrációjú régiói és más anyagok kis koncentrációjú régiói közé helyeznek, csíkos struktúrákat hoznak létre.

A gondolatkísérlet kontextusában a kék és piros festék koncentrációjában történő változások hajtanak más részecskéket a folyadékban, hogy bizonyos irányokba mozogjanak. Ahogy a piros festék olyan területre mozog, ahol kisebb koncentrációban van jelen, a közeli részecskéket viszi magával. Ez a jelenség a diffúzióforézis.

Diffúzióforézissel működik a mosás: A koszrészecskék kikerülnek a ruházatból, ahogy a szappanmolekulák kidiffundálnak az ingből bele a vízbe.

Éles határok húzása

A kutatók arra voltak kíváncsiak, hogy vajon a (különböző koncentrációjú régiókból álló) Turing-mintázatok szintén mozgatnak-e mikor méretű részecskéket? Ha igen, az eredményezett mintázatok élesek lesznek és nem elmosódottak?

Hogy megválaszolják a kérdést elvégezték a Turing-mintázatok számítógépes szimulációját - köztük hexagonok, csíkok és dupla foltok - és azt találták, hogy a diffúzióforézis szignifikánsan megkülönböztetőbbé teszi az eredményezett mintázatokat minden esetben. Ezek a diffúzióforézis szimulációk képesek voltak lemásolni a bonyolult mintázatokat a díszes bőröndhalfélék és az ékszer muréna angolna bőrén, ami csak a Turing-elmélettel nem lehetséges. Az is alátámasztja a hipotézist, hogy a modell képes volt reprodukálni egy labor tanulmány felfedezését, arról, hogy az E. coli baktériumok hogy mozgatják molekuláris rakományukat sajátmagukon belül.

Az, hogy a diffúzióforézis élesebb mozgásmintázatokat eredményez, megerősíti, hogy a fizikai mechanizmusként áll a biológiai mintázat kialakulása mögött. Mivel mikron méretűek azok a sejtek is, amik létrehozzák azokat a pigmenteket, amik egy állat bőrét felépítő színeket felépítik, a felfedezés azt sugallja, hogy a diffúzióforézis a természetben szélesebb körben játszhat kulcsfontosságú szerepet a megkülönböztető színmintázatok létrehozásában.

A kék kör a diffúzióforézis miatt jobbra mozog, mivel viszik magukkal a piros körök, melyek egy olyan területre mozognak, ahol több a zöld kör. Forrás: https://theconversation.com/how-animals-get-their-skin-patterns-is-a-matter-of-physics-new-research-clarifying-how-could-improve-medical-diagnostics-and-synthetic-materials-217035

A természet trükkjének a megtanulása

Ha megértjük, hogy programozza a természet a specifikus funkciókat, segíthet a kutatóknak szintetikus rendszereket tervezni, amik hasonló feladatokat hajtanak végre.

A laborkísérletek azt mutatták, hogy a tudósok diffúzióforézis alkalmazásával képesek létrehozni membrán nélküli vízszűrőket és olcsó, gyógyszert fejlesztő eszközöket.

A tanulmány azt sugallja, hogy a Turing-mintázatokat formáló körülményeket kombinálva a diffúzióforézissel mesterséges bőr tapaszok alapját hozhatja létre. Ahogy az adaptív bőrmintázatok az állatoknál, amikor a Turing-mintázatok változnak - mondjuk hexagonról csíkosra - az az alapjául szolgáló kémiai koncentrációk közti különbségeket jelzi a testben, vagy a testen kívül.

Az olyan bőrtapaszok, amik érzékelik ezeket a változásokat, diagnoztizálhatják az egészségügyi állapotot és monitorozhatják egy páciens egészségét a biokémiai markarekben történő változások révén.

A szimulációk kizárólag a szferikus részecskékre fókuszáltak, míg a bőrben a pigmenteket létrehozó sejtek különböző alakúak. Azt nem tudni, hogy milyen hatása van az alaknak a mintázatok létrejöttében. Ezenkívül, a pigmentsejtek komplikált biológiai környezetben mozognak. További kutatásokra van szükség, hogy megtudjuk, hogy az a környezet hogy nyomja el a mozgást és fagyasztja meg potenciálisan a mintázatokat, hogy azok helyben maradnak. Az állatok bőrének mintázatán kívül a Turing-mintázatok meghatározóak más folyamatoknál is, mint például az embrionális fejlődés és a tumor kialakulása. A kutatók szerint a diffúzióforézis alábecsült, de fontos szerepet játszhat ezekben a természetes folyamatokban.

Az alábbi videó a diffúzióforézis által mozgatott kis részecskéket mutat.

(Forrás: The Conversation: https://theconversation.com/)