En av de mest långvariga frågorna inom biologi är hur en levande varelse som börjar som en embryonal klump av enhetliga celler över tid förvandlas till en organism med olika vävnader, var och en med sina egna unika mönster och egenskaper. Svaret skulle förklara hur en leopard får sina fläckar, en zebra får sina ränder, träd får sina grenar och många fler mysterier med mönsterutveckling inom biologi. I mer än ett halvt sekel har den gynnade förklaringen varit en elegant modell baserat på kemisk signalering föreslagen av matematikern Alan Turing, som har haft många framgångar.
Men ett växande antal forskare misstänker att Turings teori bara är en del av historien. "Enligt min mening har vi blivit förblindade för hur brett det borde användas bara på grund av dess skönhet," sa Amy Shyer, en utvecklingsbiolog vid Rockefeller University. Enligt hennes uppfattning kan fysiska sammandragnings- och kompressionskrafter som verkar på celler när de växer och delar sig också spela en central roll.
Och nu har hon bevis på det. I en papper publicerat i Cell i maj, Shyer, hennes medförfattare och utvecklingsbiolog Alan Rodrigues och deras kollegor visade att mekaniska krafter kunde få embryonalt kycklingskinn att skapa folliklar för växande fjädrar. Precis som ytspänning kan dra in vatten i sfäriska pärlor på en glasyta, så kan också de fysiska spänningarna inom ett embryo skapa mönster som styr tillväxt och genaktivitet i utvecklande vävnader.
När en organism växer och utvecklas drar och trycker cellerna i dess vävnader på varandra och på den stödjande proteinställningen (extracellulär matris) som de är intrikat kopplade till. Vissa forskare har misstänkt att dessa krafter, tillsammans med förändringar i tryck och styvhet hos cellerna, kan styra bildandet av komplicerade mönster. Hittills har dock inga studier kunnat reta effekten av dessa fysiska krafter från den kemiska gryta som de sjuder i.
Dra ut ett mönster
I laboratoriet för morfogenes vid Rockefeller University som de tillsammans leder, tog Shyer och Rodrigues bort huden från ett kycklingembryo och sönderdelade vävnaden för att dra isär cellerna. Sedan placerade de en droppe av celllösningen i en petriskål och lät den växa i kultur. De såg hur hudcellerna organiserade sig själv till en ring på golvet av skålen - som en 2D-version av den cellboll som embryot normalt blir. Pulserande och sammandragande drog cellerna på kollagenfibrer i den extracellulära matrisen som de satte ihop runt sig. Under 48 timmar roterade fibrerna gradvis, buntades ihop och tryckte sedan isär varandra och bildade cellklasar som skulle bli fjäderfolliklar.
"Detta var en så ren, enkel experimentell uppställning, där man kunde se ett vackert mönster komma ut och kvantitativt kontrollera det," sa Brian Camley, en biofysiker vid Johns Hopkins University som inte var involverad i studien.
Senare, genom att justera hastigheten för cellkontraktion och andra variabler, visade forskarna att fysisk spänning i embryonmassan direkt påverkade mönstret. "Jag tror att den största överraskningen var hur cellerna interagerade med den extracellulära matrisen på detta mycket dynamiska sätt, för att skapa dessa mönster," sa Rodrigues. "Vi insåg att det är en ömsesidig dans mellan de två."
"Detta tyder på att kontraktiliteten kan vara tillräcklig för att driva mönsterbildning," sa Camley. "Det är en riktigt ny viktig del."
Mekanik först, gener senare?
Matematikern D'Arcy Wentworth Thompson föreslog att fysiska krafter kunde styra utvecklingen ända tillbaka 1917. I sin bok Om tillväxt och form, Thompson beskrev hur vridkrafter styr bildandet av horn och tand, hur ägg och andra ihåliga strukturer dyker upp och till och med likheterna mellan maneter och vätskedroppar.
Men Thompsons idéer förmörkades senare av Turings förklaring, som lättare kopplade till den framväxande förståelsen av gener. I en artikel från 1952, "The Chemical Basis of Morphogenesis", publicerad två år före hans död, föreslog Turing att mönster som fläckar, ränder och till och med de skulpterade benformerna i skelettet var resultatet av en virvlande gradient av kemikalier som kallas morfogener som interagerade med varandra när de diffunderade ojämnt genom cellerna. Fungerar som en molekylär ritning, morfogenerna skulle starta genetiska program som fick fingrar, tandrader eller andra delar att utvecklas.
Turings teori var älskad bland biologer för sin enkelhet, och den blev snart en kärna i utvecklingsbiologin. "Det finns fortfarande en stark molekylär och genetisk syn på de flesta mekanismer inom biologi," sade Rodrigues.
Men något saknades i den lösningen. Om kemiska morfogener driver utvecklingen, sa Shyer, borde forskare kunna visa att det ena går före det andra - först kommer kemikalierna, sedan mönstret.
Hon och Rodrigues kunde aldrig visa detta i labbet. Under 2017 tog de små skivor av kycklingembryons hud och tittade noga på när vävnaden hopade sig för att förbereda sig för att bilda en follikel. Under tiden spårade de aktiveringen av generna som är involverade i follikelbildning. Vad de fann var att genuttryck hände ungefär samtidigt som cellerna samlades - men inte tidigare.
"Istället för 'genuttryck först, sedan mekanik senare', var det ungefär som om mekaniken genererade dessa former," sa Shyer. Senare visade de att inte ens att ta bort några av de genreglerande kemikalierna störde processen. "Det öppnade en dörr för att säga,"Hej, något annat kan hända här," sa hon.
Biologins aktiva mjuka materia
Shyer och Rodrigues hoppas att deras arbete och framtida undersökningar kommer att hjälpa till att belysa fysikens roll och dess samspel med kemikalier och gener under utvecklingen.
"Vi inser att allt molekylärt genuttryck, signalering och produktion av krafter i cellrörelser bara är oupplösligt kopplade till varandra," sa Edwin Munro, en molekylärbiolog vid University of Chicago som inte var involverad i studien.
Munro tror att den extracellulära matrisens roll är viktigare än vad forskare för närvarande inser, även om erkännandet av dess mer centrala roll i utvecklingen håller på att byggas upp. Ny forskning har kopplat krafter i den extracellulära matrisen till utvecklingen av till exempel fruktflugaägg.
Rodrigues höll med. "Det är som att cellerna och den extracellulära matrisen bildar ett material i sig själv," sa han. Han beskriver denna koppling av kontraktila celler och extracellulär matris som "aktiv mjuk materia" och menar att den pekar på ett nytt sätt att tänka kring regleringen av embryonal utveckling som sker genom extracellulära krafter. I framtida arbete hoppas han och Shyer kunna belysa fler detaljer om fysiska krafter under utveckling och att slå samman dem med den molekylära synen.
"Vi brukade tänka att om vi bara studerade genomet med mer och mer djup och noggrannhet, skulle allt detta vara tydligt," sa Shyer, men "svaren på de viktiga frågorna kanske inte är på nivån av genomet." En gång verkade det som att utvecklingsbeslut fattades genom samspelet mellan gener och deras produkter i celler, men den framväxande sanningen är att "beslutsfattandet kan ske utanför cellen, genom den fysiska interaktionen mellan celler och varandra."
