생물학에서 가장 오래 지속된 질문 중 하나는 균일한 세포의 배아 얼룩으로 시작하는 생물이 시간이 지남에 따라 고유한 패턴과 특성을 가진 다양한 조직을 가진 유기체로 변하는 방법입니다. 그 대답은 표범이 반점을 얻고 얼룩말이 줄무늬를 갖게 되며 나무가 가지를 갖게 되며 생물학에서 패턴 발달의 더 많은 신비를 설명할 것입니다. 반세기 이상 동안 선호되는 설명은 우아한 모델 수학자 앨런 튜링이 제안한 화학 신호를 기반으로 많은 성공.
그러나 점점 더 많은 과학자들이 Turing의 이론이 이야기의 일부일 뿐이라고 의심합니다. "내 생각에 우리는 단순히 아름다움 때문에 얼마나 널리 적용되어야 하는지에 대해 눈이 멀었습니다"라고 말했습니다. 에이미 샤이어, 록펠러 대학의 발달 생물학자. 그녀의 관점에서, 세포가 성장하고 분열할 때 세포에 작용하는 수축 및 압축의 물리적 힘도 중심 역할을 할 수 있습니다.
그리고 이제 그녀는 그것에 대한 증거를 가지고 있습니다. 안에 출판 된 논문 세포 XNUMX월에 공동 수석 저자이자 동료 발달 생물학자인 샤이어(Shyer)는 앨런 로드리게스 그리고 그들의 동료들은 기계적 힘이 배아 닭 피부를 유도하여 깃털 성장을 위한 모낭을 생성하도록 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 표면 장력이 물을 유리 표면의 구형 구슬로 끌어당길 수 있는 것처럼 배아 내의 물리적 장력도 발달 중인 조직에서 성장과 유전자 활동을 안내하는 패턴을 설정할 수 있습니다.
유기체가 성장하고 발달함에 따라 조직의 세포는 서로 그리고 복잡하게 연결된 지지 단백질 스캐폴딩(세포외 기질)을 당기고 밀어냅니다. 일부 연구자들은 이러한 힘이 세포의 압력과 강성, 복잡한 패턴의 형성을 지시할 수 있습니다. 그러나 지금까지 어떤 연구도 이러한 물리적 힘의 효과를 끓이는 화학적 스튜에서 분리할 수 없었습니다.
패턴 꺼내기
그들이 공동으로 이끄는 록펠러 대학의 형태 형성 연구실에서 샤이어와 로드리게스는 닭 배아에서 피부를 제거하고 조직을 분해하여 세포를 분리했습니다. 그런 다음 그들은 세포 용액 한 방울을 페트리 접시에 넣고 배양물에서 자라게 했습니다. 그들은 배아가 정상적으로 되는 세포 덩어리의 2D 버전과 같이 피부 세포가 접시 바닥에서 고리로 자기 조직화되는 것을 관찰했습니다. 맥동하고 수축하면서 세포는 자신 주위에 조립된 세포외 기질의 콜라겐 섬유를 잡아당겼습니다. 48시간에 걸쳐 섬유는 점차 회전하고 함께 묶인 다음 서로 밀어내어 깃털 모낭이 되는 세포 다발을 형성했습니다.
"이것은 깨끗하고 간단한 실험 설정이었고 아름다운 패턴이 나오는 것을 보고 이를 정량적으로 제어할 수 있었습니다"라고 말했습니다. 브라이언 캠리, 연구에 참여하지 않은 존스 홉킨스 대학의 생물 물리학자.
나중에 연구자들은 세포 수축 속도 및 기타 변수를 조정함으로써 배아 덩어리의 물리적 긴장이 패턴에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. Rodrigues는 "가장 놀라운 점은 세포가 이러한 패턴을 생성하기 위해 매우 역동적인 방식으로 세포외 기질과 상호작용하는 방식이었다"고 말했습니다. "우리는 그것이 둘 사이의 상호 춤이라는 것을 깨달았습니다."
"이것은 수축성이 패턴 형성을 유도하기에 충분할 수 있음을 시사합니다"라고 Camley는 말했습니다. “정말 새로운 필수품입니다.”
역학이 먼저, 유전자는 나중에?
수학자 D'Arcy Wentworth Thompson은 1917년에 물리적 힘이 발전을 지시할 수 있다고 제안했습니다. 그의 책에서 성장과 형태에 대하여, Thompson은 비틀림 힘이 뿔과 이빨 형성을 제어하는 방법, 알과 기타 속이 빈 구조가 나타나는 방법, 심지어 해파리와 액체 방울 사이의 유사성을 설명했습니다.
그러나 Thompson의 생각은 나중에 Turing의 설명에 의해 가려졌고, 이는 유전자에 대한 새로운 이해와 더 쉽게 연결되었습니다. 튜링은 죽기 1952년 전에 출판된 XNUMX년 논문 "형태 형성의 화학적 기초"에서 반점, 줄무늬, 심지어 뼈의 조각된 모양과 같은 패턴이 모르포젠이라고 불리는 화학 물질의 소용돌이 구배의 결과라고 제안했습니다. 세포 전체에 고르지 않게 확산됨에 따라 서로 상호 작용합니다. 분자 청사진 역할을 하는 모르포겐은 손가락, 이빨 열 또는 기타 부분을 발달시키는 유전 프로그램을 시작합니다.
Turing의 이론은 단순성으로 인해 생물학자들 사이에서 사랑받았고 곧 발달 생물학의 핵심 교리가 되었습니다. Rodrigues는 "대부분의 생물학 메커니즘에 대한 강력한 분자 및 유전적 관점이 여전히 존재합니다."라고 말했습니다.
그러나 그 솔루션에는 무언가가 빠져 있었습니다. 화학 형태가 발달을 주도한다면 과학자들은 하나가 다른 것보다 먼저 발생한다는 것을 보여줄 수 있어야 한다고 샤이어는 말했습니다.
그녀와 Rodrigues는 실험실에서 이것을 보여줄 수 없었습니다. 2017년에 그들은 닭 배아 피부의 작은 조각을 취하여 조직이 모낭을 형성하기 위해 뭉쳐지는 것을 자세히 관찰했습니다. 한편, 그들은 난포 형성에 관여하는 유전자의 활성화를 추적했습니다. 그들이 발견한 것은 유전자 발현이 세포가 뭉쳤을 때 발생했지만 그 전에는 일어나지 않았다는 것입니다.
"'유전자 발현이 먼저, 그 다음 역학이 나중에'가 아니라 역학이 이러한 모양을 생성하는 것과 같았습니다."라고 Shyer는 말했습니다. 나중에 그들은 유전자 조절 화학물질의 일부를 제거하더라도 그 과정을 방해하지 않는다는 것을 보여주었습니다. "그게 '이봐, 여기에서 다른 일이 벌어지고 있을지도 몰라'라고 말할 수 있는 문이 열렸습니다."라고 그녀는 말했습니다.
생물학의 활성 연질 물질
Shyer와 Rodrigues는 그들의 작업과 향후 조사가 물리학의 역할과 개발 중 화학 물질 및 유전자와의 상호 작용을 설명하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
"우리는 모든 분자 유전자 발현, 신호 전달 및 세포 운동의 힘 생성이 서로 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있음을 깨닫고 있습니다."라고 말했습니다. 에드윈 먼로, 연구에 참여하지 않은 시카고 대학의 분자생물학자.
Munro는 세포외 기질의 역할이 과학자들이 현재 깨닫고 있는 것보다 더 중요하다고 생각하지만 발달에서 세포외 기질의 더 중심적인 역할에 대한 인식이 구축되고 있습니다. 최근 연구는 예를 들어 초파리 알의 발달과 세포외 기질의 힘을 연결했습니다.
로드리게스도 동의했다. “세포와 세포외 기질이 그 자체로 물질을 형성하는 것과 같습니다.”라고 그는 말했습니다. 그는 수축성 세포와 세포외 기질의 이러한 결합을 "활성 연질 물질"로 설명하고 이것이 세포외 힘을 통해 발생하는 배아 발달의 조절에 대한 새로운 사고 방식을 시사한다고 생각합니다. 향후 연구에서 그와 Shyer는 개발 중인 물리적 힘에 대한 자세한 내용을 설명하고 이를 분자적 관점과 병합하기를 희망합니다.
샤이어는 "우리는 게놈을 더 깊이 있고 엄격하게 연구하면 이 모든 것이 명확해질 것이라고 생각했지만 중요한 질문에 대한 답은 게놈 수준이 아닐 수도 있다"고 말했다. 한때는 발달 결정이 세포 내에서 유전자와 그 산물의 상호 작용을 통해 내려지는 것처럼 보였지만, "의사 결정은 세포 간의 물리적 상호 작용을 통해 세포 외부에서 일어날 수 있다"는 사실이 대두되고 있습니다.
