Новая модель объясняет, как реакционно-диффузионные сети образуют «пены»

Для многих фундаментальных процессов жизни, таких как деление клеток, формирование определённых белковых паттернов является ключевым. Это образование паттернов, контролируемых молекулярными переключателями, как и многие природные процессы, далеко от состояния равновесия.

Эффективное межфазное натяжение возникает в результате циклического присоединения и отсоединения белков на границах паттернов. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03101-6

Для таких неравновесных процессов не хватало общей теории, предсказывающей пространственную структуру узоров. Команда под руководством биофизика из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) профессора Эрвина Фрея разработала новую концепцию, описывающую, как из таких процессов, далёких от равновесия, всё же могут возникать равновесноподобные законы. Это существенно расширяет понимание формирования паттернов в системах, где взаимодействуют несколько компонентов.

Новая концепция основана на том, что вблизи теплового равновесия структуру системы контролируют межфазные натяжения, обеспечивая минимизацию площади контакта между двумя фазами. В жидкостях такие натяжения вызывают образование пузырьков и пен. Однако в реакционно-диффузионных системах нет механического взаимодействия белков, а значит, и механического поверхностного натяжения, как в жидкостях — и всё же пенообразные сети формируются.

На этих «тьюринговых пенах», как называют их исследователи, химические реакционно-диффузионные потоки создают эффективное межфазное натяжение, которое и определяет структуру сети. На основе этого механизма учёным удалось вывести структурные и динамические законы, отражающие формирование структуры в таких системах.

Ключевое отличие от пен в жидкостях заключается в следующем: вдали от состояния равновесия бесконечное укрупнение пузырьков пены может остановиться, и структура «замораживается» в конечном масштабе, создавая устойчивый паттерн.

«Мы наблюдаем именно такое поведение в экспериментах с бактериальной системой белков Min — которая контролирует симметричное деление клеток у многих бактерий — и объясняем его с помощью выведенных нами законов», — говорит первый автор исследования Хенрик Вейер.

«Наша работа показывает, что универсальные правила для многочастичных систем могут быть выведены из различных микроскопических механизмов — правила, которые не только объясняют биологические паттерны, но и открывают новые пути для проектирования синтетической активной материи», — заключает Эрвин Фрей.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics. Интересно, что концепция «тьюринговых паттернов», лежащая в основе этой работы, была предложена Аланом Тьюрингом ещё в 1952 году для объяснения морфогенеза — процесса, который определяет, как клетки организуются в ткани и органы во время развития организма.