Reação-Difusão e Formação de Padrões

Como padrões espaciais podem emergir espontaneamente de moléculas que reagem e se difundem, fornecendo uma rota física da química uniforme para a forma biológica.

Definition

Um sistema de reação-difusão é um conjunto de espécies químicas que reagem localmente e se difundem espacialmente; a formação de padrões é a emergência espontânea de estrutura espacial a partir de tal sistema, classicamente através de uma instabilidade impulsionada pela difusão.

Scope

Este tópico abrange a física da auto-organização espacial em biologia: como o acoplamento de reações químicas à difusão pode tornar um estado uniforme instável e gerar padrões estacionários ou viajantes, as condições para uma instabilidade de Turing e a ideia relacionada de gradientes de morfógenos que leem a posição. Ele enfatiza os princípios físicos da formação de padrões, deixando os detalhes do desenvolvimento para a biologia propriamente dita.

Core questions

• Como a difusão, geralmente um processo de suavização, pode ajudar a criar em vez de apagar padrões?
• Que condições produzem uma instabilidade de Turing e um comprimento de onda de padrão característico?
• Como os gradientes de morfógenos fornecem informações posicionais?
• Onde os padrões de reação-difusão aparecem em sistemas biológicos?

Key theories

Instabilidade impulsionada pela difusão (Turing)

Turing mostrou que duas espécies reagentes com taxas de difusão suficientemente diferentes — tipicamente um ativador de difusão lenta e um inibidor de difusão rápida — podem desestabilizar um estado uniforme e gerar espontaneamente um padrão espacial estacionário com um comprimento de onda intrínseco.

Informação posicional a partir de gradientes

Uma distribuição gradual de uma molécula sinalizadora através de um tecido permite que as células infiram sua posição a partir da concentração local, fornecendo uma rota complementar para a organização espacial ao lado de padrões auto-gerados.

Mechanisms

A difusão por si só suaviza as concentrações, mas quando as espécies reagem, um ativador de curto alcance que se auto-promove e um inibidor de longo alcance que ele produz podem amplificar pequenas inomogeneidades: picos locais de ativador crescem enquanto o inibidor em propagação suprime regiões vizinhas, fixando um padrão com um comprimento de onda definido pelas taxas de reação e difusão. Este mecanismo de Turing requer que o inibidor se difunda mais rapidamente que o ativador. Separadamente, um gradiente de concentração estável de um morfógeno pode codificar a posição, de modo que as células respondem de acordo com o nível local, proporcionando ordem espacial sem uma instabilidade auto-gerada.

Clinical relevance

Mecanismos de reação-difusão e gradiente são invocados para explicar o padrão de desenvolvimento e certas dinâmicas espaciais fisiológicas e patológicas, oferecendo contexto educacional para essa biologia, em vez de orientação clínica.

History

O artigo de Turing de 1952 introduziu a instabilidade impulsionada pela difusão; o conceito de informação posicional de Wolpert e os modelos ativador-inibidor de Gierer e Meinhardt estenderam as ideias, e evidências moleculares posteriores apoiaram mecanismos de reação-difusão em vários sistemas de padronização.

Key figures

• Alan Turing
• Lewis Wolpert
• Hans Meinhardt
• James Murray

Seminal works

• turing1952
• murray2003

Frequently asked questions

Como a difusão pode criar um padrão em vez de borrá-lo?

Quando um ativador auto-reforçador se difunde lentamente e o inibidor que ele produz se difunde rapidamente, pequenas flutuações são amplificadas localmente e suprimidas nas proximidades, de modo que a difusão combinada com a reação gera, em vez de apagar, a estrutura.

O que é um gradiente de morfógeno?

É um gradiente espacial na concentração de uma molécula sinalizadora que as células usam para saber onde estão em um tecido, respondendo de forma diferente em diferentes concentrações.