Turing Patterns Inside Cells
- 1. Université Libre de Bruxelles
- 2. Fundación Ciencias Exactas y Naturales
- 3. University of Buenos Aires
Description
Concentration gradients inside cells are involved in key processes such as cell division and morphogenesis. Here we show that a model of the enzymatic step catalized by phosphofructokinase (PFK), a step which is responsible for the appearance of homogeneous oscillations in the glycolytic pathway, displays Turing patterns with an intrinsic length-scale that is smaller than a typical cell size. All the parameter values are fully consistent with classic experiments on glycolytic oscillations and equal diffusion coefficients are assumed for ATP and ADP. We identify the enzyme concentration and the glycolytic flux as the possible regulators of the pattern. To the best of our knowledge, this is the first closed example of Turing pattern formation in a model of a vital step of the cell metabolism, with a built-in mechanism for changing the diffusion length of the reactants, and with parameter values that are compatible with experiments. Turing patterns inside cells could provide a check-point that combines mechanical and biochemical information to trigger events during the cell division process.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
وتشارك تدرجات التركيز داخل الخلايا في العمليات الرئيسية مثل انقسام الخلايا والتشكل. نوضح هنا أن نموذجًا للخطوة الأنزيمية التي يحفزها الفوسفوفركتوكيناز (PFK)، وهي الخطوة المسؤولة عن ظهور تذبذبات متجانسة في مسار انحلال السكر، يعرض أنماط تورنغ بمقياس طول جوهري أصغر من حجم الخلية النموذجي. تتوافق جميع قيم المعلمات تمامًا مع التجارب الكلاسيكية على تذبذبات تحلل السكر ويتم افتراض معاملات انتشار متساوية لـ ATP و ADP. نحدد تركيز الإنزيم وتدفق تحلل السكر كمنظمين محتملين للنمط. على حد علمنا، هذا هو أول مثال مغلق لتكوين نمط تورينج في نموذج لخطوة حيوية لاستقلاب الخلية، مع آلية مدمجة لتغيير طول انتشار المواد المتفاعلة، ومع قيم المعلمات المتوافقة مع التجارب. يمكن أن توفر أنماط تورينج داخل الخلايا نقطة تفتيش تجمع بين المعلومات الميكانيكية والكيميائية الحيوية لتحريك الأحداث أثناء عملية انقسام الخلايا.Translated Description (French)
Les gradients de concentration à l'intérieur des cellules sont impliqués dans des processus clés tels que la division cellulaire et la morphogenèse. Nous montrons ici qu'un modèle de l'étape enzymatique catalysée par la phosphofructokinase (PFK), étape responsable de l'apparition d'oscillations homogènes dans la voie glycolytique, présente des motifs de Turing avec une échelle de longueur intrinsèque inférieure à une taille cellulaire typique. Toutes les valeurs des paramètres sont entièrement cohérentes avec les expériences classiques sur les oscillations glycolytiques et des coefficients de diffusion égaux sont supposés pour l'ATP et l'ADP. Nous identifions la concentration enzymatique et le flux glycolytique comme les régulateurs possibles du patron. À notre connaissance, il s'agit du premier exemple fermé de formation de motifs de Turing dans un modèle d'une étape vitale du métabolisme cellulaire, avec un mécanisme intégré pour modifier la longueur de diffusion des réactifs et avec des valeurs de paramètres compatibles avec les expériences. Les modèles de Turing à l'intérieur des cellules pourraient fournir un point de contrôle qui combine des informations mécaniques et biochimiques pour déclencher des événements au cours du processus de division cellulaire.Translated Description (Spanish)
Los gradientes de concentración dentro de las células están involucrados en procesos clave como la división celular y la morfogénesis. Aquí mostramos que un modelo del paso enzimático catalizado por la fosfofructoquinasa (PFK), un paso que es responsable de la aparición de oscilaciones homogéneas en la vía glucolítica, muestra patrones de Turing con una escala de longitud intrínseca que es más pequeña que un tamaño celular típico. Todos los valores de los parámetros son totalmente consistentes con los experimentos clásicos sobre oscilaciones glucolíticas y se asumen coeficientes de difusión iguales para ATP y ADP. Identificamos la concentración enzimática y el flujo glucolítico como los posibles reguladores del patrón. Hasta donde sabemos, este es el primer ejemplo cerrado de formación del patrón de Turing en un modelo de un paso vital del metabolismo celular, con un mecanismo incorporado para cambiar la longitud de difusión de los reactivos y con valores de parámetros que son compatibles con los experimentos. Los patrones de Turing dentro de las células podrían proporcionar un punto de control que combine información mecánica y bioquímica para desencadenar eventos durante el proceso de división celular.Files
journal.pone.0001053&type=printable.pdf
Files
(150.9 kB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:f6a6e071c2d24af042afffb139e87058
|
150.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- أنماط تورينج داخل الخلايا
- Translated title (French)
- Motifs de Turing à l'intérieur des cellules
- Translated title (Spanish)
- Patrones de Turing dentro de las celdas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W1977083964
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0001053
References
- https://openalex.org/W1507388704
- https://openalex.org/W1536949664
- https://openalex.org/W1646527756
- https://openalex.org/W1938657618
- https://openalex.org/W1971097570
- https://openalex.org/W1980661496
- https://openalex.org/W1988970362
- https://openalex.org/W1990418087
- https://openalex.org/W1992963104
- https://openalex.org/W2007219916
- https://openalex.org/W2010008279
- https://openalex.org/W2012484708
- https://openalex.org/W2015341151
- https://openalex.org/W2022513440
- https://openalex.org/W2028323972
- https://openalex.org/W2047506587
- https://openalex.org/W2064442212
- https://openalex.org/W2068769173
- https://openalex.org/W2074590458
- https://openalex.org/W2080015576
- https://openalex.org/W2092424552
- https://openalex.org/W2155481279
- https://openalex.org/W2162712339
- https://openalex.org/W4255777804