Формирование само-организующих молекулярных паттернов в клетках является критическим компонентом многих биологических процессов. Исследователи из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Munich предложили новую теорию для объяснения возникновения таких паттернов в сложных природных системах.

Многие биологические процессы критически зависят от формирования упорядоченных распределений специфических молекул внутри клетки. Эти паттерны самоорганизующихся структур возникают предсказуемым образом во времени и пространстве. Лучше всего известным примером формирования внутриклеточного паттерна является молекулярный аппарат, который контролирует регулярное расхождение полного набора хромосом в две дочерние клетки во время клеточного деления. Классическая теория формирования паттерна базируется на химических системах, которые близки к равновесию. Но такие состояния редко встречаются в физических, химических или биологических системах, в которых обычно наблюдается формирование самоорганизующегося паттерна. Как правило, такие системы находятся очень далеко от равновесия, состояния, поддерживаемого притоком энергии. Механизмы, которые создают и стабилизируют упорядоченные структуры в таких условиях малопонятны. Физики из LMU Erwin Frey и Jacob Halatek предложили новую теоретическую конструкцию, которая может объяснить формирование паттерна в неравновесных системах.

Они сконцентрировали своё внимание на динамических системах, которые управляются с помощью mass-conserving взаимодействий -- т.e., химических реакций. В биологических системах формирование паттерна, прежде всего проявляет себя в динамическом перераспределении специфических белков. В большинстве таких систем динамика зависит от альтераций в конформациях белковых молекул, которые позволяют им переключаться между связанным с мембраной состоянием и состоянием свободной диффузии в растворимой фазе клеток. "То, что мы наблюдаем как белковый паттерн, обычно является специфическим пространственным распределением, не униформной плотности из белка на мембранной поверхности," заявляет Halatek. Формирование паттерна происходит в результате того факта, что распределение данного белка между мембраной и цитозольной фазой постоянно меняется, хотя его общая концентрация в клетке остается постоянной. "Динамику формирования паттерна в такой сложной и расширенной системе, как биологическая клетка, очень трудно определить даже при моделировании," говорит Halatek. "Вот почему мы подразделяем данные, используемые в наших моделях формирования паттерна в крупных системах, на сетку из значительно меньших компартментов, которые соединены др. с др. "

Локальные плотности связанных с мембраной и цитозольных белков определяют химическое равновесие в каждом компартменте -- так, что изменения в соотношении цитозольных к мембранным формам белков будут приводить к сдвигам равновесия. Halatek и Frey оказались в состоянии показать, что формирование паттерна является следствием таких сдвигов в локальном химическом равновесии. "Перераспределение белков управляется диффузией. Диффузия сама по себе д. в конечном счете приводить к гомогенному распределению всех видов белков по всему объему клетки," говорит Halatek. Поэтому существенно для формирования паттерна, чтобы градиент диффузии сохранялся в системе, так чтобы такое перераспределение белков всегда оставалось возможным. По этой причине формирование паттерна в биологических системах зависит от ферментативных реакций, которые изменяют конформации соотв. белков, чтобы позволить им соединяться с мембраной, напр."

Физики попытались применить свою новую теорию к Min системе -- набору из трёх белков, обнаруженных в палочковидной бактерии Escherichia coli, которые взаимодействуют, чтобы cгенерировать само-организующий паттерн, определяющий плоскость раздела во время клеточного деления. Они наблюдали другое следствие динамической дестабилизации локального равновесия, обусловленное массовым транспортом -- возникновение химической турбулентности. "Эти турбулентности, однако, не приводили, к полной потере порядка, что предполагается классической теорией," говорит Frey. "В нашей концептуальной схеме (framework), происходит в точности наоборот. Когда мы дестабилизируем систему, то мы наблюдаем, что довольно быстро возникает турбулентность. Но после дальнейших пертурбаций система подвергается переходу, с помощью которого она оказывается далеко от равновесия, но тем не менее четко упорядоченной и не турбулентной." Frey и Halatek сравнивают поведение такого типа с эффектом электрокардиостимулятора, который противодействует аритмии путем добавления электрических импульсов, чтобы восстановить нормальный паттерн передачи импульсов. "Наша модель объясняет, как подобный 'электрокардиостимулятор' может возникать с помощью само-организации в неравновесных системах," заявляет Halatek. "Др. словами, мы можем представить четкий ответ на вопрос: What part of the 'self' is responsible for the 'organization'? That role is performed by the unstable modes ('control modes') which alter the position and stability of the local equilibria that drive the time-evolution of the system."