Een van de oudste vragen in de biologie is hoe een levend wezen dat begint als een embryonale klodder uniforme cellen in de loop van de tijd verandert in een organisme met diverse weefsels, elk met zijn eigen unieke patroon en kenmerken. Het antwoord zou verklaren hoe een luipaard zijn vlekken krijgt, een zebra zijn strepen, bomen hun takken en nog veel meer mysteries van patroonontwikkeling in de biologie. Al meer dan een halve eeuw is de favoriete verklaring: een elegant model gebaseerd op chemische signalering voorgesteld door de wiskundige Alan Turing, die heeft gehad: veel successen.
Maar een groeiend aantal wetenschappers vermoedt dat de theorie van Turing slechts een deel van het verhaal is. "Naar mijn mening zijn we verblind voor hoe breed het moet worden toegepast, simpelweg vanwege zijn schoonheid," zei Amy Shyer, een ontwikkelingsbioloog aan de Rockefeller University. Volgens haar zouden ook fysieke krachten van samentrekking en compressie die op cellen inwerken terwijl ze groeien en delen, een centrale rol kunnen spelen.
En daar heeft ze nu bewijs van. In een paper gepubliceerd in Cel in mei, Shyer, haar co-senior auteur en mede-ontwikkelingsbioloog Alan Rodrigues en hun collega's toonden aan dat mechanische krachten embryonale kippenhuid konden induceren om follikels te creëren voor groeiende veren. Net zoals oppervlaktespanning water in bolvormige kralen op een glasoppervlak kan trekken, zo kunnen ook de fysieke spanningen in een embryo patronen opzetten die groei en genactiviteit in zich ontwikkelende weefsels sturen.
Naarmate een organisme groeit en zich ontwikkelt, trekken en duwen de cellen in zijn weefsels aan elkaar en aan de ondersteunende eiwitstructuur (extracellulaire matrix) waarmee ze nauw verbonden zijn. Sommige onderzoekers vermoeden dat deze krachten, in combinatie met veranderingen in de druk en stijfheid van de cellen, zou de vorming van gecompliceerde patronen kunnen sturen. Tot nu toe waren er echter geen studies die het effect van deze fysieke krachten konden onderscheiden van de chemische stoofpot waarin ze sudderen.
Een patroon uittrekken
In het laboratorium voor morfogenese aan de Rockefeller University dat ze samen leiden, verwijderden Shyer en Rodrigues de huid van een kippenembryo en desintegreerden het weefsel om de cellen uit elkaar te trekken. Daarna plaatsten ze een druppel van de cellulaire oplossing in een petrischaal en lieten deze in cultuur groeien. Ze keken hoe de huidcellen zichzelf in een ring op de bodem van de schaal organiseerden - als een 2D-versie van de bal met cellen die het embryo normaal gesproken wordt. Pulserend en samentrekkend trokken de cellen aan collageenvezels in de extracellulaire matrix die ze om zich heen verzamelden. Gedurende 48 uur roteerden de vezels geleidelijk, bundelden ze zich en duwden elkaar vervolgens uit elkaar, waardoor bundels cellen werden gevormd die verenzakjes zouden worden.
"Dit was zo'n schone, eenvoudige experimentele opstelling, waar je een prachtig patroon naar voren kon zien komen en het kwantitatief kon controleren," zei Brian Camley, een biofysicus aan de Johns Hopkins University die niet bij het onderzoek betrokken was.
Later, door de snelheid van celcontractie en andere variabelen aan te passen, toonden de onderzoekers aan dat fysieke spanning in de embryonale massa het patroon direct beïnvloedde. "Ik denk dat de grootste verrassing de manier was waarop de cellen op deze zeer dynamische manier in wisselwerking stonden met de extracellulaire matrix, om deze patronen te creëren," zei Rodrigues. "We realiseerden ons dat het een wederzijdse dans is tussen de twee."
"Dit suggereert dat contractiliteit voldoende zou kunnen zijn om patroonvorming te stimuleren," zei Camley. "Dat is een heel nieuw essentieel stuk."
Eerst mechanica, later genen?
De wiskundige D'Arcy Wentworth Thompson stelde al in 1917 voor dat fysieke krachten de ontwikkeling zouden kunnen sturen. Over groei en vorm, beschreef Thompson hoe torsiekrachten de vorming van hoorns en tanden bepalen, hoe eieren en andere holle structuren ontstaan, en zelfs de overeenkomsten tussen kwallen en vloeistofdruppels.
Maar de ideeën van Thompson werden later overschaduwd door de verklaring van Turing, die gemakkelijker verband hield met het opkomende begrip van genen. In een artikel uit 1952, "The Chemical Basis of Morphogenesis", dat twee jaar voor zijn dood werd gepubliceerd, suggereerde Turing dat patronen zoals vlekken, strepen en zelfs de gebeeldhouwde vormen van botten in het skelet het resultaat waren van een wervelende gradiënt van chemicaliën die morfogenen worden genoemd. interageerden met elkaar omdat ze ongelijk door de cellen diffundeerden. De morfogenen fungeerden als een moleculaire blauwdruk en schopten tegen genetische programma's die ervoor zorgden dat vingers, rijen tanden of andere delen zich ontwikkelden.
Turing's theorie was geliefd onder biologen vanwege zijn eenvoud, en het werd al snel een kernprincipe van ontwikkelingsbiologie. "Er is nog steeds een sterke moleculaire en genetische kijk op de meeste mechanismen van de biologie," zei Rodrigues.
Maar er ontbrak iets aan die oplossing. Als chemische morfogenen de ontwikkeling stimuleren, zei Shyer, dan zouden wetenschappers moeten kunnen aantonen dat de ene aan de andere voorafgaat - eerst komen de chemicaliën, dan het patroon.
Zij en Rodrigues hebben dit nooit kunnen laten zien in het lab. In 2017 namen ze kleine plakjes kippenembryohuid en keken nauwlettend toe hoe het weefsel zich ophoopte ter voorbereiding om een follikel te vormen. Ondertussen volgden ze de activering van de genen die betrokken zijn bij de vorming van follikels. Wat ze ontdekten was dat genexpressie plaatsvond rond dezelfde tijd dat de cellen zich ophoopten - maar niet eerder.
"In plaats van 'eerst genexpressie, dan later mechanica', was het alsof mechanica deze vormen genereerde," zei Shyer. Later toonden ze aan dat zelfs het verwijderen van enkele van de genregulerende chemicaliën het proces niet verstoorde. "Dat opende een deur om te zeggen: 'Hé, hier is misschien iets anders aan de hand'," zei ze.
De actieve zachte materie van biologie
Shyer en Rodrigues hopen dat hun werk en toekomstig onderzoek de rol van de natuurkunde en de wisselwerking met chemicaliën en genen tijdens de ontwikkeling zullen helpen ophelderen.
"We realiseren ons dat alle moleculaire genexpressie, signalering en de productie van krachten in celbeweging gewoon onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn," zei Edwin Munro, een moleculair bioloog aan de Universiteit van Chicago die niet bij het onderzoek betrokken was.
Munro denkt dat de rol van de extracellulaire matrix belangrijker is dan wetenschappers zich momenteel realiseren, hoewel de erkenning van de meer centrale rol in de ontwikkeling steeds meer wordt erkend. Recent onderzoek heeft krachten in de extracellulaire matrix gekoppeld aan bijvoorbeeld de ontwikkeling van eitjes van fruitvliegjes.
Rodrigues was het daarmee eens. "Het is alsof de cellen en de extracellulaire matrix een materiaal op zich vormen," zei hij. Hij beschrijft deze koppeling van contractiele cellen en extracellulaire matrix als "actieve zachte materie" en denkt dat het wijst op een nieuwe manier van denken over de regulatie van embryonale ontwikkeling die plaatsvindt door extracellulaire krachten. In toekomstig werk hopen hij en Shyer meer details van fysieke krachten in ontwikkeling op te helderen en deze samen te voegen met de moleculaire visie.
"Vroeger dachten we dat als we het genoom alleen maar met meer en meer diepte en nauwkeurigheid zouden bestuderen, dit allemaal duidelijk zou zijn," zei Shyer, maar "de antwoorden op de belangrijke vragen liggen misschien niet op het niveau van het genoom." Ooit leek het erop dat ontwikkelingsbeslissingen werden genomen door het samenspel van genen en hun producten in cellen, maar de opkomende waarheid is dat "de besluitvorming buiten de cel kan plaatsvinden, door de fysieke interacties van cellen met elkaar."
