Eno najdlje zastavljenih vprašanj v biologiji je, kako se živo bitje, ki se začne kot embrionalna blodnja enotnih celic, sčasoma spremeni v organizem z različnimi tkivi, od katerih ima vsako svoj edinstven vzorec in značilnosti. Odgovor bi razložil, kako leopard dobi svoje lise, zebra svoje črte, drevesa svoje veje in mnoge druge skrivnosti razvoja vzorcev v biologiji. Že več kot pol stoletja je bila priljubljena razlaga eleganten model temelji na kemijski signalizaciji, ki jo je predlagal matematik Alan Turing in ki je imela veliko uspehov.
Toda čedalje več znanstvenikov sumi, da je Turingova teorija le del zgodbe. "Po mojem mnenju smo bili zaslepljeni glede tega, kako široko bi ga bilo treba uporabljati zgolj zaradi njegove lepote," je dejal Amy Shyer, razvojni biolog na univerzi Rockefeller. Po njenem mnenju bi lahko imele osrednjo vlogo tudi fizične sile krčenja in stiskanja, ki delujejo na celice, ko rastejo in se delijo.
In zdaj ima dokaz za to. V članek objavljen v Celica maja Shyer, njen sostarejši avtor in kolega razvojni biolog Alan Rodrigues in njihovi kolegi so pokazali, da lahko mehanske sile spodbudijo embrionalno piščančjo kožo, da ustvari folikle za rastoče perje. Tako kot lahko površinska napetost potegne vodo v sferične kroglice na stekleni površini, lahko tudi fizične napetosti v zarodku vzpostavijo vzorce, ki vodijo rast in aktivnost genov v razvijajočih se tkivih.
Ko organizem raste in se razvija, celice v njegovih tkivih vlečejo in potiskajo druga drugo in na podporni proteinski oder (zunajcelični matriks), s katerim so tesno povezane. Nekateri raziskovalci so sumili, da te sile, skupaj s spremembami v pritisk in togost celic, lahko usmerja nastanek zapletenih vzorcev. Vendar do zdaj nobena študija ni mogla razločiti učinka teh fizičnih sil iz kemične enolončnice, v kateri se dušijo.
Izvlečenje vzorca
V laboratoriju za morfogenezo na Univerzi Rockefeller, ki ga vodita skupaj, sta Shyer in Rodrigues odstranila kožo s piščančjega zarodka in razkrojila tkivo, da bi raztrgala celice. Nato so dali kapljico celične raztopine v petrijevko in jo pustili rasti v kulturi. Opazovali so, kako se kožne celice samoorganizirajo v obroč na dnu posode - kot 2-D različica kroglice celic, kakršna običajno postane zarodek. Celice so med utripanjem in krčenjem vlekle kolagenska vlakna v zunajceličnem matriksu, ki so jih sestavile okoli sebe. V 48 urah so se vlakna postopoma vrtela, strnila skupaj in nato drug drugega potisnila narazen, pri čemer so oblikovali šopke celic, ki so postali pernati folikli.
"To je bila tako čista, preprosta eksperimentalna postavitev, kjer ste lahko videli čudovit vzorec in ga kvantitativno nadzorovali," je dejal Brian Camley, biofizik na univerzi Johns Hopkins, ki ni bil vključen v študijo.
Kasneje so raziskovalci s prilagajanjem stopnje krčenja celic in drugih spremenljivk pokazali, da je fizična napetost v embrionalni masi neposredno vplivala na vzorec. "Mislim, da je bilo največje presenečenje način, kako so celice vplivale na zunajcelični matriks na ta zelo dinamičen način, da bi ustvarile te vzorce," je dejal Rodrigues. "Spoznali smo, da gre za obojestranski ples med obema."
"To nakazuje, da bi kontraktilnost lahko zadostovala za spodbujanje oblikovanja vzorcev, " je dejal Camley. "To je resnično nov bistveni del."
Najprej mehanika, potem geni?
Matematik D'Arcy Wentworth Thompson je že leta 1917 predlagal, da bi lahko fizične sile usmerjale razvoj. V svoji knjigi O rasti in obliki, je Thompson opisal, kako torzijske sile urejajo nastanek rogov in zob, kako se pojavijo jajca in druge votle strukture ter celo podobnosti med meduzami in kapljicami tekočine.
Toda Thompsonove zamisli je kasneje zasenčila Turingova razlaga, ki se je lažje povezala z nastajajočim razumevanjem genov. V dokumentu iz leta 1952, "Kemična osnova morfogeneze", objavljenem dve leti pred njegovo smrtjo, je Turing predlagal, da so bili vzorci, kot so lise, proge in celo izklesane oblike kosti v okostju, posledica vrtinčenja gradienta kemikalij, imenovanih morfogeni, ki medsebojno vplivali, saj so se neenakomerno razpršili po celicah. Delujoč kot molekularni načrt bi morfogeni sprožili genetske programe, ki so povzročili razvoj prstov, vrst zob ali drugih delov.
Turingova teorija je bila priljubljena med biologi zaradi svoje preprostosti in je kmalu postala temeljna načela razvojne biologije. "Še vedno obstaja močan molekularni in genetski pogled na večino bioloških mehanizmov," je dejal Rodrigues.
Toda tej rešitvi je nekaj manjkalo. Če kemični morfogeni poganjajo razvoj, je dejal Shyer, potem bi morali biti znanstveniki sposobni pokazati, da je eden pred drugim - najprej pridejo kemikalije, nato vzorec.
Ona in Rodrigues tega nikoli nista mogla pokazati v laboratoriju. Leta 2017 so vzeli majhne rezine kože piščančjega zarodka in pozorno opazovali, kako se tkivo združuje v skupine, da bi oblikovalo folikel. Medtem so sledili aktivaciji genov, ki sodelujejo pri tvorbi foliklov. Ugotovili so, da se je ekspresija genov zgodila približno ob istem času, ko so se celice združile - vendar ne prej.
"Namesto 'najprej izražanje genov, nato mehanika kasneje', je bilo nekako tako, kot da mehaniki ustvarjajo te oblike," je dejal Shyer. Kasneje so pokazali, da niti odstranitev nekaterih kemikalij, ki uravnavajo gen, ni motila procesa. "To je odprlo vrata, da bi rekli," Hej, tukaj se morda dogaja nekaj drugega, "je rekla.
Aktivna mehka snov biologije
Shyer in Rodrigues upata, da bodo njuno delo in prihodnje preiskave pomagale razjasniti vlogo fizike in njeno medsebojno delovanje s kemikalijami in geni med razvojem.
"Zavedamo se, da so vsa molekularna genska ekspresija, signalizacija in proizvodnja sil v gibanju celic neločljivo povezani drug z drugim," je dejal Edwin Munro, molekularni biolog na Univerzi v Chicagu, ki ni bil vključen v študijo.
Munro meni, da je vloga zunajceličnega matriksa pomembnejša, kot se znanstveniki trenutno zavedajo, čeprav se krepi priznanje njegove osrednje vloge pri razvoju. Nedavne raziskave so na primer povezale sile v zunajceličnem matriksu z razvojem jajčec vinske mušice.
Rodrigues se je strinjal. "Kot da celice in zunajcelični matriks tvorijo material sam po sebi," je dejal. To spajanje kontraktilnih celic in zunajceličnega matriksa opisuje kot "aktivno mehko snov" in meni, da kaže na nov način razmišljanja o regulaciji embrionalnega razvoja, ki poteka prek zunajceličnih sil. V prihodnjem delu on in Shyer upata, da bosta razjasnila več podrobnosti o fizičnih silah v razvoju in jih združila z molekularnim pogledom.
"Včasih smo mislili, da bi bilo vse jasno, če bi le proučevali genom z vedno večjo globino in strogostjo," je dejal Shyer, vendar "odgovori na pomembna vprašanja morda niso na ravni genoma." Nekoč se je zdelo, da se razvojne odločitve sprejemajo z medsebojnim delovanjem genov in njihovih produktov v celicah, toda pojavljajoča se resnica je, da se »odločanje lahko dogaja zunaj celice, s fizičnimi interakcijami celic med seboj«.
