PNAS：胚胎自行组装

生物过程依赖于拼图碎片聚集在一起并相互作用。在特定条件下，这些互动可以在没有外部输入的情况下创造出新的东西。这被称为自组织，就像鱼群或鸟群一样。有趣的是，哺乳动物胚胎的发育与此相似。在美国国家科学院院刊上，来自奥地利科学技术研究所(ISTA)的David brckner和Ga?per tka介绍了一个数学框架，分析了从单细胞到多细胞生物的自组织。

　　

生物过程依赖于拼图碎片聚集在一起并相互作用。在特定条件下，这些互动可以在没有外部输入的情况下创造出新的东西。这被称为自组织，就像鱼群或鸟群一样。有趣的是，哺乳动物胚胎的发育与此相似。

当胚胎发育时，需要产生多种具有不同功能的细胞。例如，一些细胞将成为眼睛的一部分，记录视觉刺激，而另一些细胞将成为肠道的一部分，帮助消化食物。为了确定它们的作用，细胞之间不断地使用化学信号进行交流。

多亏了这种沟通，在开发过程中，一切都很好地同步和协调，但没有中央控制负责这一点。细胞集体是自我组织的，并通过个体之间的相互作用进行协调。每个细胞对邻近细胞的信号作出反应。基于这种自组织，哺乳动物胚胎从单个受精卵细胞发育成多细胞生物。

来自奥地利科学技术研究所(ISTA)的David Brückner和Gašper Tkaik现在已经建立了一个数学框架，帮助分析这一过程并预测其最佳参数。该方法发表在《美国国家科学院院刊》上，代表了一种统一的数学语言来描述胚胎发育及以后的生物自组织。

在自然界中，自组织无处不在:我们可以在鱼群、鸟群或昆虫群中观察到它，甚至在由细胞调节的微观过程中也能观察到它。NOMIS研究员和ISTA博士后David brckner对从理论角度更好地理解这些过程很感兴趣。他的研究重点是胚胎发育，这是一个由基因和细胞相互交流控制的复杂过程。

在胚胎发育过程中，单个受精卵细胞转变成包含多种器官的多细胞胚胎。“在这个发展过程的许多步骤中，系统没有外部信号来指导它做什么。系统有一种内在的属性，允许它建立模式和结构，”David Brückner说。"内在属性就是所谓的自组织"即使存在不可预测的因素——物理学家称之为“噪音”——雏形也能可靠而一致地形成。近年来，科学家们对驱动这一复杂过程的分子细节有了更深入的了解。然而，缺乏分析和量化其性能的数学框架。信息论的语言提供了答案。

“信息论是一种通用语言，用于量化统计集成中的结构和规律性，统计集成是同一过程的重复集合。胚胎发育可以被视为这样一个过程，可重复地产生非常相似但不相同的功能生物体，”ISTA教授和该领域的专家David Brückner说。长期以来，tka一直在研究信息在生物系统中是如何被处理的，例如在苍蝇胚胎中。“在早期的苍蝇胚胎中，模式不是自组织的，”他继续说。“母蝇把化学物质放入卵中，指示细胞采取什么行动。”由于tka小组已经为这个系统开发了一个框架，br克纳也开始着手为哺乳动物胚胎开发一个框架。“借助Gašper在信息理论方面的专业知识，我们能够将它们组合在一起。”

除了胚胎发育?在胚胎发育过程中，细胞交换信号，并不断受到随机、不可预测的波动(噪声)的影响。因此，细胞间的相互作用必须是稳健的。新的框架测量了这些相互作用如何可能被优化以承受噪音。通过计算机模拟相互作用的细胞，科学家们探索了一个系统在引入波动的情况下仍然可以有稳定的最终结果的条件。

尽管该框架已被证明在三种依赖化学和机械信号的不同发育模型上是成功的，但将其应用于发育系统的实验记录还需要更多的工作。“在未来，我们想要研究更复杂的模型，有更多的参数和维度，通过量化更复杂的模型，我们还可以将我们的框架应用于胚胎发育中化学信号的实验测量模式。”为此目的，这两位理论科学家将与实验学家合作。