Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign Kampüsü, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı araşırmacıları tarafından yapılan yeni bir çalışmada, canlı dokularda desen oluşumunun moleküler düzeyde anlaşılmasına bir adım daha yaklaşıldı. Bilimciler, yetiştirildiklerinde stokastik Turing desenleri sergileyen bakterilerin mühendisliğini yaparak, petri kabında sentezlenen bir bakteri "çayırı"nda, yeşil alan üzerinde düzensiz kırmızı polka noktaları (aynı boyuttaki beneklerin bir düzen içinde yinelenmesiyle oluşan desen) elde etti.

Zebraların çizgileri, leoparın kendine özgü desenleri gibi canlılarda görülen şablonlar öteden beri insanların ilgisini çekiyor. Matematiksel modeller ve genomik bilimi yöntemleri ile dokularda oluşan desenlerin açıklanması için çalışmalar sürdürülüyor. Laboratuvarda canlı doku geliştirme üzerinde çalışan biyomühedisler için de bu konu önem taşıyor. Mühendislik ürünü dokuların sayısız tıbbi uygulaması olabilir ama canlı doku sentezleyebilmek için bilimcilerin anlaması gereken şeylerden biri de dokulardaki desenlerin oluşum mekanizmaları.

Yeni yapılan çalışmada, konu üzerinde çalışan ekip bakterilerin Turing desenleri sergilediğini gözlemledi. Peki klasik Turing desenleri nedir? Turing desenleri, birörnek bir durumdan doğal biçimde çıkan çizgiler, noktalar veya sarmallar olabilir. 1952 yılında matematikçi, bilgisayar bilimci ve kuramsal canlıbilimci Alan Turing, desenlerin nasıl oluştuğuna ilişkin bir mekanizma öne sürdü. Bunun çok genel bir çeşit denge dışılık durumuna bağlı olduğunu düşünüyordu ve bu stabil olmama hâlinin matematiği üzerinde çalışmıştı. O sırada biyoloji bilimi, gen düzenlemesinin karmaşıklıklarından henüz habersizdi. Turing'in önerdiği modelin, hayvan derisinde desen oluşumunda rol oynayan çok sayıda parametrenin aşırı basitleştirilmiş bir tanımı olduğu artık açıkça anlaşılıyor. Turing desenleri çeşitli kimyasal tepkimelerde gözlemlenmiş olmakla birlikte, böyle desenlerin biyolojik organizmalarda gösterilmesinin zorluğu anlaşılmış bulunuyor.

Prof. Nigel Goldenfield biyolojide klasik Turing desen oluşumunun sınırlandırmalarını, av-avcı benzetimi yaparak şöyle anlatıyor: "Turing'in mekanizmasındaki sorun, biyolojik sistemlerin çoğunda varolmayan bir ölçüte, yani durdurucunun etkinleştiriciden çok daha hızlı hareket edebilir olmasına bağlı olması. Örneğin, kimyasallar yerine bir ekosistemdeki iki canlıya bakacak olursak, mesela kurtlar ve koyunlar gibi, klasik Turing desenleri elde etmek için kurtların etrafta koyunlardan çok daha hızlı dolaşması gerekir. Bunun olabilmesi için de önce koyunların sayıca artması gerekir ki kurtları besleyebilsinler ve onların da sayısı artsın. Sonra kurtlar koyunları yakalayabilir ve siz de dışarıdan bakınca küçük yerelleşmiş kurtlu koyun alanları görürsünüz. Turing'in keşfettiği mekanizmanın hayvanlara uyarlanmış hâli özünde böyle."

Stokastik Turing Modeli ve Rastgelelik

Yapılan çalışmada, Turing desenlerinin canlı dokularda gerçekten de oluştuğunu, araştırmacılar hem deneysel hem de kuramsal olarak gösterdi; fakat küçük bir sapmayla. Turing'in modelinde desenleri oluşturan denge dışılık, iki kimyasal (durdurucu ve etkinleştirici) arasındaki yüksek difüzyon oranı olarak tanımlanırken, bu çalışmada ekip Goldenfield'ın stokastik Turing deseni adını verdiği şeyi üretenin aslında rastgelelik olduğunu gösterdi. Rastgelelik çoğu deneyde arka plan gürültüsü olarak düşünülüyordu.

On yıl kadar önce, Goldenfield ve eski lisansüstü öğrencisi Dr. Tom Butler, stokastik Turing desenleri için bir kuram geliştirmişti. Kuramda desenler yüksek bir durdurucu-etkinleştirici oranından değil de, stokastik gen ifadesinin gürültüsünden ileri geliyordu. Goldenfield şöyle açıklıyor: "Yaklaşık 10 yıl önce şu soruyu sorduk: Eğer çok az sayıda koyun olup da popülasyon sayılarında büyük dalgalanmalar varsa ne olur? O zaman koyunların rastgele şekilde öldüğü süreçler olur. Şunu keşfettik ki, rastgelelik doğurduğunuzda, bu aslında stokastik Turing desenlerinin oluşumuna neden oluyor. Bunlar rastgele desenler ama gayet karakterisik bir yapıya sahipler ve biz bunun ne olduğunu matemaiksel olarak çıkardık. Stokastik Turing desenleri kuramı, av ile avcı (yani durdurucu ile etkinleştirici) arasında büyük bir hız farkı gerektirmiyor. Aşağı yukarı aynı olabilirler ve yine de desen ortaya çıkar. Ama düzenli bir desen olmayacaktır. Bir şekilde düzensiz olacaktır."

Biyo-mühendislik Deneyleri

Bu çalışmadaki bakteriyel desen çıkarma deneyleri, Goldenfield ile Butler'ın kuramlarını geliştirdiği sıralarda gerçekleştiriliyordu. Canlı üzerinde (Lat. in vivo) çalışmanın başlangıçtaki itkisi, bakterilerin bir Turing denge dışılığı üretecek şekilde mühendisliklerinin yapılıp yapılamayacağını görmekti. Araştırmacılar Turing'in etkinleştirme-durdurma fikrine dayalı olarak bakterilerin mühendisliğini yapmak için sentetik biyoloji kullandılar. Bakterilerin sinyal olarak iki farklı molekül üretip alabilmesini sağlayan genleri bakterilere yerleştirdiler. Moleküllere florasan raporlayıcılar ekleyerek, sinyalleme molekülleri vasıtasıyla genetik devrelerin aç/kapa düğmelerini izleyebilecekleri bir sistem yarattılar. Etkinleştirici kırmızı, durdurucu ise yeşil parlıyordu.

Bilimciler, homojen bir filmle başlayarak, mühendislik ürünü bakterilerin yeşil bir alanla çevrili kırmızı noktalar oluşturduğunu gözlemledi. Bakteriler, stokasik kuramda öngörüldüğü gibi düzensiz Turing desenleri oluşturmuştu. Goldenfield, iki çalışmayı birleştirebilmelerinde, şansın da payı olduğunu, doğru zamanda, doğru yerde iki fikrin bir araya geldiğini vurguluyor.

Stokastik Turing Kuramının Doğrulanması

Kuramın deneyle doğrulanması için sentetik desen oluşturucu gen devrelerinde neler olduğuna ilişkin ayrıntılı bir stokasik model oluşturuldu, sonuçları hesaplandı ve ardından kuramsal öngörüler ile petri kabında gözlemlenenler karşılaştırıldı. Goldenfield bunun çok zor bir iş olduğunu, bu desenleri tanımlayan matematiğin çok sayıda parametre içerdiğini ve bunların her birinin tüm etkilerinin hesaba katılması gerektiğini belirtiyor.

Yapılan çalışmalar sonucunda, araştırmacılar görmeyi beklemedikleri zamanlarda bile Turing desenleri gördüklerini fakat bunların düzensiz olduğunu, yani stokastik Turing desenleri olduğunu anlatıyor. Buradaki stokastikliğin koyunların ya da kurtların doğumu ya da ölümü olmayıp, proteinlerin doğumu ve ölümü yani üretimi ve emilmesi olduğunu belirtiyorlar. Bu biraz sezgiye aykırı bir öngörü: Bu desenleri üreten şey, stokastik gen ifadesinin gürültüsü. Normalde gürültünün sinyali yok ettiğini düşünürsünüz. Ama söz konusu olayda, gürültü dengeli bir desen oluşuyor.