Bioloogia üks pikaajalisemaid küsimusi on see, kuidas ühtsete rakkude embrüonaalsest täpist alguse saanud elusolend muutub aja jooksul mitmekesiste kudedega organismiks, millest igaühel on oma ainulaadne muster ja omadused. Vastus selgitaks, kuidas leopard saab oma laigud, sebra saavad oma triibud, puud saavad oma oksad ja palju muud mustrite kujunemise saladust bioloogias. Enam kui pool sajandit on soositud seletus olnud elegantne mudel põhineb matemaatik Alan Turingi pakutud keemilisel signaalimisel, mis on olnud palju õnnestumisi.
Kuid üha suurem hulk teadlasi kahtlustab, et Turingi teooria on vaid osa loost. "Minu arvates oleme olnud pimestatud selle suhtes, kui laialdaselt tuleks seda lihtsalt selle ilu tõttu rakendada," ütles Amy Shyer, arengubioloog Rockefelleri ülikoolis. Tema arvates võivad keskset rolli mängida ka füüsilised kokkutõmbumis- ja kokkusurumisjõud, mis mõjutavad rakke nende kasvamisel ja jagunemisel.
Ja nüüd on tal selle tõestus. Sees aastal ilmunud paber Rakk mais Shyer, tema kaasautor ja arengubioloog Alan Rodrigues ja nende kolleegid näitasid, et mehaanilised jõud võivad indutseerida embrüonaalset kananahka looma folliikuleid sulgede kasvatamiseks. Nii nagu pindpinevus võib tõmmata vett klaaspinnal kerakujulisteks helmesteks, võivad ka embrüo füüsilised pinged luua mustreid, mis juhivad arenevates kudedes kasvu ja geenide aktiivsust.
Organismi kasvades ja arenedes tõmbuvad ja suruvad rakud selle kudedes üksteisele ja toetavale valgukarkassile (rakuväline maatriks), millega nad on keeruliselt seotud. Mõned teadlased on kahtlustanud, et need jõud koos muutustega rakkude rõhk ja jäikus, võib juhtida keeruliste mustrite teket. Seni ei ole aga ükski uurimus suutnud nende füüsiliste jõudude mõju keemilisest hautisest, milles need keevad, eraldada.
Mustri välja tõmbamine
Rockefelleri ülikooli morfogeneesi laboris, mida nad ühiselt juhivad, eemaldasid Shyer ja Rodrigues kanaembrüolt naha ja lagunesid koe, et rakud lahti tõmmata. Seejärel asetasid nad tilga rakulahust Petri tassi ja lasid sellel kultuuris kasvada. Nad vaatasid, kuidas naharakud organiseerusid ise rõngaks nõude põrandal – nagu 2-D versioon rakukerast, millest embrüo tavaliselt muutub. Pulseerides ja kokku tõmbudes tõmbasid rakud ekstratsellulaarses maatriksis kollageenkiude, mille nad enda ümber kokku panid. 48 tunni jooksul pöörlesid kiud järk-järgult, kimpusid kokku ja lükkasid seejärel üksteist lahku, moodustades rakukimpu, millest said sulefolliikulid.
"See oli nii puhas ja lihtne eksperimentaalne seadistus, kus võis näha ilusat mustrit ja seda kvantitatiivselt juhtida," ütles Brian Camley, Johns Hopkinsi ülikooli biofüüsik, kes ei osalenud uuringus.
Hiljem, kohandades rakkude kontraktsiooni kiirust ja muid muutujaid, näitasid teadlased, et embrüonaalse massi füüsiline pinge mõjutas mustrit otseselt. "Ma arvan, et suurim üllatus oli see, kuidas rakud suhtlesid rakuvälise maatriksiga sellisel väga dünaamilisel viisil, et neid mustreid luua, " ütles Rodrigues. "Saime aru, et see on vastastikune tants nende kahe vahel."
"See viitab sellele, et kontraktiilsus võib olla mustri moodustamiseks piisav, " ütles Camley. "See on tõesti uus oluline tükk."
Kõigepealt mehaanika, hiljem geenid?
Matemaatik D'Arcy Wentworth Thompson tegi ettepaneku, et füüsilised jõud võivad suunata arengut juba aastal 1917. Oma raamatus Kasvu ja vormi kohtaThompson kirjeldas, kuidas väändejõud juhivad sarvede ja hammaste moodustumist, kuidas tekivad munad ja muud õõnsad struktuurid ning isegi sarnasusi meduuside ja vedelikupiiskade vahel.
Kuid Thompsoni ideed varjutas hiljem Turingi seletus, mis seostus kergemini geenide areneva mõistmisega. 1952. aastal ilmunud artiklis "The Chemical Basis of Morphogenesis", mis avaldati kaks aastat enne tema surma, väitis Turing, et sellised mustrid nagu laigud, triibud ja isegi luude kujundid skeletis on tingitud morfogeenideks nimetatavate kemikaalide pöörlevast gradiendist. suhtlesid üksteisega, kuna nad hajusid rakkudes ebaühtlaselt. Molekulaarse plaanina toimides löövad morfogeenid geneetilistele programmidele, mis põhjustasid sõrmede, hambaridade või muude osade arengut.
Turingi teooria oli bioloogide seas armastatud selle lihtsuse tõttu ja sellest sai peagi arengubioloogia põhiprintsiip. "Enamikul bioloogiamehhanismidel on endiselt tugev molekulaarne ja geneetiline vaade, " ütles Rodrigues.
Aga midagi jäi sellest lahendusest puudu. Kui keemilised morfogeenid juhivad arengut, ütles Shyer, peaksid teadlased suutma näidata, et üks eelneb teisele - kõigepealt tulevad kemikaalid, seejärel muster.
Tema ja Rodrigues ei suutnud seda kunagi laboris näidata. 2017. aastal võtsid nad väikesed viilud kana embrüo nahast ja jälgisid tähelepanelikult, kuidas kude folliikuli moodustamiseks kokku koondub. Vahepeal jälgisid nad folliikulite moodustumisega seotud geenide aktiveerimist. Nad leidsid, et geeniekspressioon toimus umbes samal ajal, kui rakud kobarasid, kuid mitte varem.
"Selle asemel, et "kõigepealt avaldub geeniekspressioon, siis hiljem mehaanika", oli see justkui mehaanika genereeris neid kujundeid," ütles Shyer. Hiljem näitasid nad, et isegi mõne geeni reguleeriva kemikaali eemaldamine ei häirinud protsessi. "See avas ukse, et öelda:" Hei, siin võib juhtuda midagi muud, " ütles ta.
Bioloogia aktiivne pehme aine
Shyer ja Rodrigues loodavad, et nende töö ja tulevased uuringud aitavad selgitada füüsika rolli ning selle koosmõju kemikaalide ja geenidega arendamise käigus.
"Me mõistame, et kogu molekulaarne geeniekspressioon, signaalimine ja jõudude tootmine rakkude liikumisel on lihtsalt üksteisega lahutamatult seotud," ütles ta. Edwin Munro, Chicago ülikooli molekulaarbioloog, kes ei osalenud uuringus.
Munro arvab, et rakuvälise maatriksi roll on olulisem, kui teadlased praegu mõistavad, kuigi selle kesksema rolli tunnustamine arengus on kujunemas. Hiljutised uuringud on seostanud rakuvälises maatriksis esinevaid jõude näiteks äädikakärbse munade arenguga.
Rodrigues nõustus. "See on nagu rakud ja rakuväline maatriks moodustavad iseenesest materjali," ütles ta. Ta kirjeldab seda kontraktiilsete rakkude ja ekstratsellulaarse maatriksi sidumist kui "aktiivset pehmet ainet" ja arvab, et see viitab uuele mõtteviisile embrüonaalse arengu reguleerimise kohta, mis toimub rakuväliste jõudude kaudu. Tulevases töös loodavad ta ja Shyer selgitada välja arenevate füüsiliste jõudude üksikasju ja ühendada need molekulaarse vaatega.
"Varem arvasime, et kui uuriksime genoomi üha põhjalikumalt ja rangemalt, oleks see kõik selge," ütles Shyer, kuid "vastused olulistele küsimustele ei pruugi olla genoomi tasemel." Kunagi tundus, et arenguotsused tehti geenide ja nende toodete koosmõjul rakkudes, kuid esile kerkiv tõde on see, et "otsuste langetamine võib toimuda väljaspool rakku, rakkude füüsilise interaktsiooni kaudu."
