Dit artikel werd oorspronkelijk gepresenteerd op Gesprek.
Dierenhuidpatronen, zoals zebrastrepen en kleurvlekken van pijlgifkikkers, dienen een verscheidenheid aan biologische functies, waaronder temperatuurregulering, camouflage en waarschuwingssignalen. De kleuren waaruit deze patronen bestaan, moeten verschillend en goed gescheiden zijn om effectief te zijn. Als waarschuwingssignaal maken verschillende kleuren ze bijvoorbeeld duidelijk zichtbaar voor andere dieren. En als camouflage zorgen goed gescheiden kleuren ervoor dat dieren beter opgaan in hun omgeving.
In ons onlangs gepubliceerde onderzoek in Science Advances stellen mijn student Ben Alessio en ik een mogelijk mechanisme voor om uit te leggen hoe deze onderscheidende patronen ontstaan – een mechanisme dat mogelijk zou kunnen worden toegepast op medische diagnostiek en synthetische materialen.
Een gedachte-experiment kan helpen de uitdagingen van het bereiken van herkenbare kleurpatronen te visualiseren. Stel je voor dat je voorzichtig een druppel blauwe en rode kleurstof aan een kopje water toevoegt. De druppeltjes zullen zich langzaam over het water verspreiden als gevolg van het diffusieproces, waarbij moleculen zich van een gebied met een hogere concentratie naar een lagere concentratie verplaatsen. Uiteindelijk zal het water een gelijkmatige concentratie van blauwe en rode kleuren hebben en paars worden. Diffusie heeft dus de neiging om kleuruniformiteit te creëren.
Er rijst een natuurlijke vraag: hoe kunnen verschillende kleurpatronen worden gevormd in aanwezigheid van diffusie?
Beweging en grenzen
Wiskundige Alan Turing behandelde deze vraag voor het eerst in zijn baanbrekende artikel uit 1952, ‘The Chemical Basis of Morphogenesis’. Turing liet zien dat onder de juiste omstandigheden de chemische reacties die betrokken zijn bij de productie van kleur met elkaar kunnen interageren op een manier die diffusie tegengaat. Hierdoor kunnen kleuren zichzelf organiseren en onderling verbonden gebieden van verschillende kleuren creëren, waardoor zogenaamde Turing-patronen worden gevormd.
In wiskundige modellen zijn de grenzen tussen kleurgebieden echter vervaagd als gevolg van diffusie. Dit is anders dan in de natuur, waar grenzen vaak scherp zijn en kleuren goed gescheiden zijn.
Ons team dacht dat een aanwijzing voor de manier waarop dieren onderscheidende kleurpatronen creëren, gevonden kon worden in laboratoriumexperimenten met deeltjes van microngrootte, zoals de cellen die betrokken zijn bij het produceren van de kleuren van dierenhuid. Uit mijn werk en werk uit andere laboratoria is gebleken dat deeltjes van microngrootte bandstructuren vormen wanneer ze worden geplaatst tussen gebieden met een hoge concentratie van andere opgeloste stoffen en gebieden met een lage concentratie van andere opgeloste stoffen.
In de context van ons gedachte-experiment kunnen veranderingen in de concentratie van blauwe en rode kleurstoffen in water ervoor zorgen dat andere deeltjes in de vloeistof in bepaalde richtingen bewegen. Terwijl de rode kleurstof naar een gebied beweegt waar deze zich in een lagere concentratie bevindt, zullen nabijgelegen deeltjes ermee omgaan. Dit fenomeen wordt diffusioforese genoemd.
Elke keer dat u de was doet, profiteert u van de voordelen van diffusieforese: vuildeeltjes bewegen weg van uw kleding terwijl zeepmoleculen uit uw shirt het water in gaan.
Scherpe grenzen trekken
We vroegen ons af of Turing-patronen, bestaande uit gebieden met concentratieverschillen, ook deeltjes van microngrootte konden verplaatsen. Als dat zo is, zouden de resulterende patronen van deze deeltjes dan eerder scherp dan vaag zijn?
Om deze vraag te beantwoorden, hebben we computersimulaties van Turing-patronen uitgevoerd – inclusief zeshoeken, strepen en dubbele vlekken – en ontdekten dat diffusioforese de resulterende patronen in alle gevallen aanzienlijk herkenbaarder maakte. Deze diffusioforese-simulaties waren in staat om de ingewikkelde huidpatronen van met juwelen versierde vissen en murenen met juwelen te repliceren, wat niet mogelijk is met alleen de Turing-theorie.
Om onze hypothese verder te ondersteunen, was ons model in staat de bevindingen van een laboratoriumonderzoek naar de werking van de bacterie te reproduceren E coli ze verplaatsen de moleculaire lading naar binnen. Diffusieforese resulteerde in scherpere bewegingspatronen, wat de rol ervan als het fysieke mechanisme achter de vorming van biologische patronen bevestigde.
Omdat de cellen die de pigmenten produceren waaruit de kleuren van de dierenhuid bestaan, ook micron groot zijn, suggereren onze bevindingen dat diffusieforese een sleutelrol kan spelen bij het creëren van herkenbare kleurpatronen in de bredere zin van de natuur.
Leer een trucje van de natuur
Door te begrijpen hoe specifieke functies van natuurprogramma’s onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van synthetische systemen die vergelijkbare taken uitvoeren.
Laboratoriumexperimenten hebben aangetoond dat wetenschappers difusioforese kunnen gebruiken om membraanvrije waterfilters en goedkope hulpmiddelen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen te creëren.
Ons werk suggereert dat de combinatie van omstandigheden die Turing-patronen vormen met difusioforese ook de basis zou kunnen zijn van kunstmatige huidpleisters. Net als adaptieve huidpatronen bij dieren, duidt het veranderen van Turing-patronen – bijvoorbeeld van zeshoeken in strepen – op onderliggende verschillen in chemische concentraties binnen of buiten het lichaam.
Huidpleisters die deze veranderingen kunnen waarnemen, kunnen medische aandoeningen diagnosticeren en de gezondheid van een patiënt monitoren door veranderingen in biochemische markers te detecteren. Deze plekken op de huid kunnen ook veranderingen in de concentratie van schadelijke chemicaliën in de omgeving waarnemen.
Het werk dat voor ons ligt
Onze simulaties zijn uitsluitend gericht op bolvormige deeltjes, terwijl de pigmentproducerende cellen in de huid verschillende vormen aannemen. De invloed van vorm op de vorming van ingewikkelde patronen blijft onduidelijk.
Bovendien bewegen pigmentcellen zich in een gecompliceerde biologische omgeving. Er is meer onderzoek nodig om te begrijpen hoe die omgeving beweging remt en mogelijk patronen bevriest.
Naast huidpatronen bij dieren spelen Turingpatronen ook een sleutelrol bij andere processen, zoals embryonale ontwikkeling en tumorvorming. Ons werk suggereert dat difusioforese een ondergewaardeerde maar belangrijke rol kan spelen in deze natuurlijke processen.
Door te bestuderen hoe biologische patronen worden gevormd, kunnen onderzoekers een stap dichter bij het nabootsen van hun functies in het laboratorium komen – een eeuwenoude onderneming die de samenleving ten goede zou kunnen komen.
Ankur Gupta is assistent-professor chemische en biologische technologie aan de Universiteit van Colorado, Boulder. Openbaarmakingsverklaring: Ankur Gupta ontvangt financiering van NSF (CBET – 2238412) en ACS Petroleum Research Fund (65836 – DNI9).