Les motifs sur la peau des animaux, tels que les rayures zébrées et les taches de couleur grenouille empoisonnée, remplissent diverses fonctions biologiques, notamment la régulation de la température, le camouflage et les signaux d’avertissement. Les couleurs composant ces motifs doivent être distinctes et bien séparées pour être efficaces. Par exemple, en guise de signal d’avertissement, des couleurs distinctes les rendent clairement visibles par les autres animaux. Et comme camouflage, des couleurs bien séparées permettent aux animaux de mieux se fondre dans leur environnement.
Dans notre recherche récemment publiée dans Science Advances, mon étudiant Ben Alessio et moi proposons un mécanisme potentiel expliquant comment se forment ces modèles distinctifs – qui pourrait potentiellement être appliqué aux diagnostics médicaux et aux matériaux synthétiques.
Une expérience de pensée peut aider à visualiser le défi que représente l’obtention de motifs de couleurs distinctifs. Imaginez que vous ajoutez doucement une goutte de colorant bleu et rouge à une tasse d’eau. Les gouttes se disperseront lentement dans l’eau en raison du processus de diffusion, au cours duquel les molécules se déplacent d’une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible. Finalement, l’eau aura une concentration uniforme de colorants bleus et rouges et deviendra violette. Ainsi, la diffusion tend à créer une uniformité des couleurs.
Une question se pose naturellement : comment des motifs de couleurs distincts peuvent-ils se former en présence de diffusion ?
Mouvement et limites
Le mathématicien Alan Turing a abordé cette question pour la première fois dans son article fondateur de 1952, « Les bases chimiques de la morphogenèse ». Turing a montré que dans des conditions appropriées, les réactions chimiques impliquées dans la production de la couleur peuvent interagir les unes avec les autres de manière à contrecarrer la diffusion. Cela permet aux couleurs de s’auto-organiser et de créer des régions interconnectées avec différentes couleurs, formant ce que l’on appelle maintenant des motifs de Turing.
Cependant, dans les modèles mathématiques, les limites entre les régions colorées sont floues en raison de la diffusion. Ceci est différent de la nature, où les limites sont souvent nettes et les couleurs bien séparées.
Des patchs cutanés capables de détecter ces changements pourraient diagnostiquer des problèmes médicaux et surveiller la santé d’un patient en détectant les changements dans les marqueurs biochimiques. Ces taches cutanées pourraient également détecter des changements dans la concentration de produits chimiques nocifs dans l’environnement.
Le travail à venir
Nos simulations se sont exclusivement concentrées sur des particules sphériques, tandis que les cellules qui créent les pigments de la peau se présentent sous différentes formes. L’effet de la forme sur la formation de motifs complexes reste flou.
De plus, les cellules pigmentaires se déplacent dans un environnement biologique complexe. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre comment cet environnement inhibe le mouvement et gèle potentiellement les modèles en place.
Outre les modèles de peau animale, les modèles de Turing sont également cruciaux pour d’autres processus tels que le développement embryonnaire et la formation de tumeurs. Nos travaux suggèrent que la diffusiophorèse pourrait jouer un rôle sous-estimé mais important dans ces processus naturels.
Étudier la façon dont se forment les modèles biologiques aidera les chercheurs à faire un pas de plus vers l’imitation de leurs fonctions en laboratoire – une entreprise ancienne qui pourrait profiter à la société.
Ankur Gupta est professeur adjoint de génie chimique et biologique à l’Université du Colorado à Boulder.
