Jedno z najdłużej zadawanych pytań w biologii dotyczy tego, w jaki sposób żywa istota, która zaczyna się jako embrionalna plama jednolitych komórek, z czasem przekształca się w organizm z różnymi tkankami, z których każda ma swój własny unikalny wzór i cechy. Odpowiedź wyjaśniałaby, w jaki sposób lampart otrzymuje plamy, zebra pręgowane, drzewa gałęzie i wiele innych tajemnic dotyczących rozwoju wzorców w biologii. Od ponad pół wieku ulubionym wyjaśnieniem jest: elegancki model w oparciu o sygnalizację chemiczną zaproponowaną przez matematyka Alana Turinga, który miał wiele sukcesów.
Jednak coraz więcej naukowców podejrzewa, że teoria Turinga to tylko część prawdy. „Moim zdaniem byliśmy ślepi na to, jak szeroko należy go stosować, po prostu ze względu na jego piękno” – powiedział Amy Shyer, biolog rozwoju na Uniwersytecie Rockefellera. Jej zdaniem, centralną rolę mogą również odgrywać fizyczne siły skurczu i kompresji, które działają na komórki podczas ich wzrostu i podziału.
A teraz ma na to dowód. W artykuł opublikowany w Komórka w maju Shyer, jej współautorka i kolega biolog rozwojowy Alana Rodriguesa a ich koledzy wykazali, że siły mechaniczne mogą skłonić embrionalną skórę kurczaka do tworzenia mieszków włosowych do wzrostu piór. Tak jak napięcie powierzchniowe może przyciągać wodę do kulistych kulek na szklanej powierzchni, tak samo napięcie fizyczne w zarodku może tworzyć wzorce, które kierują wzrostem i aktywnością genów w rozwijających się tkankach.
Gdy organizm rośnie i rozwija się, komórki w jego tkankach ciągną się i napierają na siebie oraz na wspierające rusztowanie białkowe (macierz zewnątrzkomórkowa), z którą są misternie połączone. Niektórzy badacze podejrzewali, że siły te w połączeniu ze zmianami w ciśnienie i sztywność komórek, może kierować tworzeniem skomplikowanych wzorów. Jednak do tej pory żadne badania nie były w stanie oddzielić wpływu tych sił fizycznych od chemicznego gulaszu, w którym się gotują.
Wyciąganie wzoru
W laboratorium morfogenezy na Uniwersytecie Rockefellera, które wspólnie prowadzili, Shyer i Rodrigues usunęli skórę z zarodka kurzego i rozdrobnili tkankę, aby rozerwać komórki. Następnie umieścili kroplę roztworu komórkowego na szalce Petriego i pozwolili jej rosnąć w kulturze. Obserwowali, jak komórki skóry samoorganizują się w pierścień na dnie naczynia – jak dwuwymiarowa wersja kuli komórek, którą normalnie staje się zarodek. Pulsując i kurcząc się, komórki ciągnęły za włókna kolagenowe w macierzy pozakomórkowej, które gromadziły wokół siebie. W ciągu 2 godzin włókna stopniowo się obracały, skupiały się, a następnie odsuwały od siebie, tworząc wiązki komórek, które przekształciły się w mieszki piór.
„To była tak czysta, prosta konfiguracja eksperymentalna, w której można było zobaczyć piękny wzór i kontrolować go ilościowo”, powiedział Briana Camleya, biofizyk z Johns Hopkins University, który nie był zaangażowany w badanie.
Później, dostosowując tempo skurczu komórek i inne zmienne, naukowcy wykazali, że fizyczne napięcie w masie embrionalnej bezpośrednio wpłynęło na ten wzorzec. „Myślę, że największą niespodzianką był sposób, w jaki komórki wchodziły w interakcję z macierzą zewnątrzkomórkową w ten bardzo dynamiczny sposób, aby stworzyć te wzorce” – powiedział Rodrigues. „Zdaliśmy sobie sprawę, że jest to wzajemny taniec między tymi dwoma”.
„Sugeruje to, że kurczliwość może być wystarczająca do napędzania tworzenia wzoru” – powiedział Camley. „To naprawdę nowy, niezbędny element”.
Najpierw mechanika, później geny?
Matematyk D'Arcy Wentworth Thompson zaproponował, że siły fizyczne mogą kierować rozwojem już w 1917 roku. O wzroście i formieThompson opisał, jak siły skręcające rządzą formowaniem się rogów i zębów, jak powstają jaja i inne puste struktury, a nawet podobieństwa między meduzą a kroplami płynu.
Ale idee Thompsona zostały później przyćmione przez wyjaśnienie Turinga, które łatwiej połączyło się z pojawiającym się rozumieniem genów. W artykule z 1952 r. „The Chemical Basis of Morphogenesis”, opublikowanym dwa lata przed śmiercią, Turing zasugerował, że wzory takie jak plamy, paski, a nawet wyrzeźbione kształty kości w szkielecie były wynikiem wirującego gradientu chemikaliów zwanych morfogenami, które oddziaływały ze sobą, ponieważ dyfundowały nierównomiernie w komórkach. Działając jak schemat molekularny, morfogeny uruchamiają programy genetyczne, które powodują rozwój palców, rzędów zębów lub innych części.
Teoria Turinga była uwielbiana przez biologów ze względu na swoją prostotę i wkrótce stała się podstawową zasadą biologii rozwojowej. „Nadal istnieje silny molekularny i genetyczny pogląd na większość mechanizmów biologii” – powiedział Rodrigues.
Ale czegoś w tym rozwiązaniu brakowało. Jeśli morfogeny chemiczne napędzają rozwój, powiedział Shyer, to naukowcy powinni być w stanie wykazać, że jedno poprzedza drugie – najpierw pojawiają się substancje chemiczne, a potem wzór.
Ona i Rodrigues nigdy nie byli w stanie pokazać tego w laboratorium. W 2017 roku pobrali małe plasterki skóry zarodków kurzych i uważnie obserwowali, jak tkanka zbiera się w celu utworzenia pęcherzyka. W międzyczasie śledzili aktywację genów zaangażowanych w tworzenie pęcherzyków. Odkryli, że ekspresja genów zachodziła mniej więcej w tym samym czasie, w którym komórki się skupiły – ale nie wcześniej.
„Zamiast „najpierw ekspresja genów, potem mechanika”, było to trochę tak, jakby mechanika generowała te kształty” – powiedział Shyer. Później wykazali, że nawet usunięcie niektórych substancji regulujących geny nie zakłóciło procesu. „To otworzyło drzwi do powiedzenia:„ Hej, może tu się dziać coś innego ”- powiedziała.
Aktywna miękka materia biologii
Shyer i Rodrigues mają nadzieję, że ich praca i przyszłe badania pomogą wyjaśnić rolę fizyki i jej wzajemne oddziaływanie z substancjami chemicznymi i genami podczas rozwoju.
„Zdajemy sobie sprawę, że cała ekspresja genów molekularnych, sygnalizacja i wytwarzanie sił w ruchu komórek są ze sobą nierozerwalnie połączone” – powiedział. Edwina Munro, biolog molekularny z University of Chicago, który nie był zaangażowany w badanie.
Munro uważa, że rola macierzy pozakomórkowej jest ważniejsza, niż obecnie zdają sobie z tego sprawę naukowcy, chociaż coraz większe uznanie ma na jej centralną rolę w rozwoju. Ostatnie badania powiązały na przykład siły w macierzy pozakomórkowej z rozwojem jaj muszki owocowej.
Rodrigues się zgodził. „To tak, jakby komórki i macierz zewnątrzkomórkowa tworzyły materiał sam w sobie” – powiedział. Opisuje to sprzężenie komórek kurczliwych i macierzy zewnątrzkomórkowej jako „aktywną miękką materię” i uważa, że wskazuje to na nowy sposób myślenia o regulacji rozwoju embrionalnego za pomocą sił zewnątrzkomórkowych. W przyszłych pracach on i Shyer mają nadzieję wyjaśnić więcej szczegółów na temat sił fizycznych w rozwoju i połączyć je z poglądem molekularnym.
„Kiedyś myśleliśmy, że gdybyśmy po prostu badali genom z coraz większą głębią i rygorystycznością, wszystko to byłoby jasne”, powiedział Shyer, ale „odpowiedzi na ważne pytania mogą nie znajdować się na poziomie genomu”. Kiedyś wydawało się, że decyzje rozwojowe są podejmowane poprzez wzajemne oddziaływanie genów i ich produktów w komórkach, ale wyłaniająca się prawda jest taka, że „podejmowanie decyzji może odbywać się poza komórką, poprzez fizyczne interakcje komórek ze sobą”.
