Yksi biologian vanhimmista kysymyksistä on, kuinka yhtenäisten solujen alkiontäplänä alkava elävä olento muuttuu ajan myötä organismiksi, jossa on erilaisia kudoksia, joista jokaisella on oma ainutlaatuinen kuvionsa ja ominaisuutensa. Vastaus selittäisi kuinka leopardi saa täplensä, seepra saa raidat, puut oksansa ja monia muita kuvioiden kehityksen mysteereitä biologiassa. Yli puolen vuosisadan ajan suositeltu selitys on ollut tyylikäs malli perustuu matemaatikko Alan Turingin ehdottamaan kemialliseen signalointiin, jolla on ollut monta menestystä.
Mutta yhä useammat tutkijat epäilevät, että Turingin teoria on vain osa tarinaa. "Mielestäni olemme olleet sokaisuisia sille, kuinka laajasti sitä pitäisi soveltaa pelkästään sen kauneuden vuoksi", sanoi Amy Shyer, kehitysbiologi Rockefeller-yliopistosta. Hänen mielestään myös fyysiset supistumis- ja puristusvoimat, jotka vaikuttavat soluihin niiden kasvaessa ja jakautuessa, voivat olla keskeisessä roolissa.
Ja nyt hänellä on siitä todiste. Jonkin sisällä paperi julkaistu Solu toukokuussa Shyer, hänen toinen vanhempi kirjailija ja kehitysbiologi Alan Rodrigues ja heidän kollegansa osoittivat, että mekaaniset voimat voivat saada alkion kanan ihon luomaan follikkeleja höyhenten kasvattamista varten. Aivan kuten pintajännitys voi vetää vettä pallon muotoisiksi helmiksi lasipinnalla, niin myös alkion fyysiset jännitteet voivat muodostaa kuvioita, jotka ohjaavat kasvua ja geenien toimintaa kehittyvissä kudoksissa.
Kun organismi kasvaa ja kehittyy, sen kudoksissa olevat solut vetävät ja työntävät toisiaan ja tukevaa proteiinirunkoa (solunulkoinen matriisi), johon ne ovat monimutkaisesti liittyneet. Jotkut tutkijat ovat epäilleet, että nämä voimat yhdistettynä muutoksiin solujen paine ja jäykkyys, saattaa ohjata monimutkaisten kuvioiden muodostumista. Tähän asti ei kuitenkaan ole tehty tutkimuksia, jotka eivät ole kyenneet erottamaan näiden fyysisten voimien vaikutusta kemiallisesta keitosta, jossa ne kiehuvat.
Kuvion vetäminen esiin
Rockefeller-yliopiston morfogeneesin laboratoriossa, jota he yhdessä johtivat, Shyer ja Rodrigues poistivat kanan alkiosta ihon ja hajotivat kudoksen erottaakseen solut toisistaan. Sitten he laittoivat pisaran soluliuosta petrimaljaan ja antoivat sen kasvaa viljelmässä. He katselivat, kuinka ihosolut organisoituivat itse renkaaksi astian pohjalla – kuin 2-D-versio solupallosta, josta alkiosta yleensä tulee. Sykkivät ja supistuivat solut vetivät solunulkoisen matriisin kollageenikuituja, jotka ne kokosivat ympärilleen. 48 tunnin aikana kuidut pyörivät vähitellen, kasautuivat yhteen ja työnsivät sitten toisiaan erilleen muodostaen solukimppuja, joista tulisi höyhenrakkuloita.
"Tämä oli niin puhdas, yksinkertainen kokeellinen järjestely, jossa voit nähdä kauniin kuvion tulevan ulos ja hallita sitä kvantitatiivisesti", sanoi Brian Camley, Johns Hopkinsin yliopiston biofyysikko, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Myöhemmin, säätämällä solujen supistumisnopeutta ja muita muuttujia, tutkijat osoittivat, että alkiomassan fyysinen jännitys vaikutti suoraan kuvioon. "Luulen, että suurin yllätys oli tapa, jolla solut olivat vuorovaikutuksessa solunulkoisen matriisin kanssa tällä erittäin dynaamisella tavalla näiden kuvioiden luomiseksi", Rodrigues sanoi. "Ymmärsimme, että se on vastavuoroinen tanssi näiden kahden välillä."
"Tämä viittaa siihen, että supistumiskyky voisi olla riittävä ajamaan kuvion muodostumista", Camley sanoi. "Se on todella uusi olennainen osa."
Mekaniikka ensin, geenit myöhemmin?
Matemaatikko D'Arcy Wentworth Thompson ehdotti, että fyysiset voimat voisivat ohjata kehitystä aina vuonna 1917. Kirjassaan Kasvussa ja muodossa, Thompson kuvaili kuinka vääntövoimat säätelevät sarven ja hampaiden muodostumista, kuinka munat ja muut ontot rakenteet syntyvät ja jopa meduusoiden ja nestepisaroiden välisiä yhtäläisyyksiä.
Mutta Thompsonin ideat varjostivat myöhemmin Turingin selitys, joka liittyi helpommin geenien nousevaan ymmärrykseen. Vuonna 1952 julkaistussa artikkelissa "The Chemical Basis of Morphogenesis", joka julkaistiin kaksi vuotta ennen kuolemaansa, Turing ehdotti, että kuviot, kuten täplät, raidat ja jopa luuston muotoiset luumuodot, olivat seurausta morfogeeneiksi kutsuttujen kemikaalien pyörteisestä gradientista. vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, kun ne leviävät epätasaisesti läpi solujen. Molekyylisuunnitelmana toimivat morfogeenit potkaisivat geneettisiä ohjelmia, jotka saivat sormia, hammasrivejä tai muita osia kehittymään.
Turingin teoria oli biologien keskuudessa rakas sen yksinkertaisuuden vuoksi, ja siitä tuli pian kehitysbiologian ydinoppi. "Siellä on edelleen vahva molekyyli- ja geneettinen näkemys useimmista biologian mekanismeista", Rodrigues sanoi.
Mutta jotain tuosta ratkaisusta puuttui. Jos kemialliset morfogeenit ohjaavat kehitystä, Shyer sanoi, tiedemiesten pitäisi pystyä osoittamaan, että yksi edeltää toista - ensin tulevat kemikaalit ja sitten kuvio.
Hän ja Rodrigues eivät koskaan pystyneet näyttämään tätä laboratoriossa. Vuonna 2017 he ottivat pieniä viipaleita kanan alkion ihosta ja seurasivat tarkasti, kuinka kudos nippusi valmistautuessaan muodostamaan follikkelia. Samaan aikaan he seurasivat follikkelien muodostumiseen osallistuvien geenien aktivoitumista. He havaitsivat, että geenin ilmentyminen tapahtui suunnilleen samaan aikaan, kun solut nippusivat - mutta ei ennen.
"Ensin "geenin ilmentyminen ensin, sitten mekaniikka" sijaan, se oli tavallaan kuin mekaniikka olisi luonut näitä muotoja", Shyer sanoi. Myöhemmin he osoittivat, että edes joidenkin geenejä säätelevien kemikaalien poistaminen ei häirinnyt prosessia. "Se avasi oven sanoa: "Hei, täällä saattaa olla jotain muuta", hän sanoi.
Biologian aktiivinen pehmeä aine
Shyer ja Rodrigues toivovat, että heidän työnsä ja tulevat tutkimukset auttavat selvittämään fysiikan roolia ja sen vuorovaikutusta kemikaalien ja geenien kanssa kehityksen aikana.
"Ymmärrämme, että kaikki molekyyligeenien ilmentyminen, signalointi ja voimien tuottaminen solujen liikkeessä ovat vain erottamattomasti yhteydessä toisiinsa", sanoi Edwin Munro, Chicagon yliopiston molekyylibiologi, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Munro uskoo, että solunulkoisen matriisin rooli on tärkeämpi kuin tiedemiehet tällä hetkellä ymmärtävät, vaikka sen keskeisemmän roolin tunnustaminen kehityksessä on vahvistumassa. Viimeaikainen tutkimus on yhdistänyt solunulkoisen matriisin voimat esimerkiksi hedelmäkärpästen munien kehittymiseen.
Rodrigues suostui. "Se on kuin solut ja solunulkoinen matriisi muodostaisivat materiaalia itsessään", hän sanoi. Hän kuvailee tätä supistuvien solujen ja solunulkoisen matriisin kytkeytymistä "aktiiviseksi pehmeäksi aineeksi" ja uskoo sen viittaavan uuteen ajattelutapaan alkion kehityksen säätelystä, joka tapahtuu solunulkoisten voimien kautta. Tulevaisuuden työssään hän ja Shyer toivovat voivansa selvittää kehitysvaiheessa olevien fyysisten voimien yksityiskohtia ja yhdistää ne molekyylinäkemykseen.
"Ajattelimme, että jos vain tutkisimme genomia yhä syvemmin ja tiukemmin, kaikki tämä olisi selvää", Shyer sanoi, mutta "vastaukset tärkeisiin kysymyksiin eivät ehkä ole genomin tasolla." Aikaisemmin näytti siltä, että kehityspäätökset tehtiin geenien ja niiden tuotteiden vuorovaikutuksen kautta soluissa, mutta esiin nouseva totuus on, että "päätöksenteko voi tapahtua solun ulkopuolella, solujen fyysisen vuorovaikutuksen kautta."
