คำถามที่มีมายาวนานที่สุดในวิชาชีววิทยาคือการที่สิ่งมีชีวิตที่เริ่มต้นจากการเป็นหยดของเซลล์ที่มีลักษณะเหมือนกันของตัวอ่อนจะแปรสภาพไปเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีเนื้อเยื่อที่หลากหลาย โดยแต่ละส่วนมีรูปแบบและลักษณะเฉพาะของตัวเอง คำตอบจะอธิบายว่าเสือดาวได้จุดของมัน ม้าลายได้ลาย ต้นไม้ได้กิ่งก้านของพวกมัน และความลึกลับอีกมากมายของการพัฒนารูปแบบทางชีววิทยา กว่าครึ่งศตวรรษ คำอธิบายที่ชื่นชอบคือ นางแบบสุดสวย ตามสัญญาณเคมีที่เสนอโดยนักคณิตศาสตร์อลัน ทัวริง ซึ่งมี ประสบความสำเร็จมากมาย.
แต่นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นสงสัยว่าทฤษฎีของทัวริงเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราวเท่านั้น “ในความคิดของฉัน เรามองไม่เห็นว่าควรใช้กันอย่างแพร่หลายเพียงเพราะความงามของมัน” . กล่าว เอมี่ ไชเออร์นักชีววิทยาด้านพัฒนาการที่มหาวิทยาลัยร็อคกี้เฟลเลอร์ ในมุมมองของเธอ แรงทางกายภาพของการหดตัวและการกดทับที่กระทำต่อเซลล์ในขณะที่พวกมันเติบโตและแบ่งตัวก็อาจมีบทบาทสำคัญเช่นกัน
และตอนนี้เธอก็มีหลักฐานแล้ว ใน กระดาษที่ตีพิมพ์ใน เซลล์ ในเดือนพฤษภาคม Shyer นักเขียนอาวุโสและเพื่อนนักชีววิทยาด้านพัฒนาการ อลัน โรดริเกส และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าแรงทางกลสามารถกระตุ้นหนังไก่ตัวอ่อนเพื่อสร้างรูขุมขนสำหรับขนที่กำลังเติบโต แรงตึงผิวสามารถดึงน้ำเข้าไปในเม็ดบีดทรงกลมบนพื้นผิวแก้วได้ฉันใด ความตึงเครียดทางกายภาพภายในตัวอ่อนก็สามารถกำหนดรูปแบบที่จะนำทางการเจริญเติบโตและการทำงานของยีนในเนื้อเยื่อที่กำลังพัฒนาได้ฉันนั้น
เมื่อสิ่งมีชีวิตเติบโตและพัฒนา เซลล์ในเนื้อเยื่อของมันจะดึงและดันซึ่งกันและกัน และบนโครงโปรตีนที่สนับสนุน (เมทริกซ์นอกเซลล์) ซึ่งพวกมันเชื่อมโยงกันอย่างประณีต นักวิจัยบางคนสงสัยว่ากองกำลังเหล่านี้ควบคู่ไปกับการเปลี่ยนแปลงใน ความดันและความแข็งแกร่งของเซลล์อาจชี้นำการก่อตัวของรูปแบบที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการศึกษาใดที่สามารถแยกแยะผลกระทบของกองกำลังทางกายภาพเหล่านี้ออกจากสตูว์เคมีที่เคี่ยวได้
ดึงรูปแบบออก
ในห้องปฏิบัติการของ morphogenesis ที่ Rockefeller University ซึ่งพวกเขาร่วมกันเป็นผู้นำ Shyer และ Rodrigues ได้เอาผิวหนังออกจากตัวอ่อนของไก่และสลายเนื้อเยื่อเพื่อดึงเซลล์ออกจากกัน จากนั้นพวกเขาก็วางสารละลายเซลล์หนึ่งหยดลงในจานเพาะเชื้อและปล่อยให้มันเติบโตในวัฒนธรรม พวกเขามองดูเซลล์ผิวหนังจัดตัวเองเป็นวงแหวนบนพื้นจาน เหมือนลูกบอลเซลล์แบบ 2 มิติที่ปกติแล้วตัวอ่อนจะกลายเป็น การเต้นเป็นจังหวะและการหดตัว เซลล์ดึงเส้นใยคอลลาเจนในเมทริกซ์นอกเซลล์ที่ประกอบเข้าด้วยกัน กว่า 48 ชั่วโมง เส้นใยจะค่อยๆ หมุน มัดรวมกันแล้วผลักออกจากกัน ก่อตัวเป็นพวงของเซลล์ที่จะกลายเป็นรูขุมขน
"นี่เป็นการตั้งค่าการทดลองที่เรียบง่ายและสะอาดตา ซึ่งคุณสามารถเห็นรูปแบบที่สวยงามออกมาและควบคุมได้ในเชิงปริมาณ" กล่าว ไบรอัน แคมลีย์นักชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้
ต่อมาโดยการปรับอัตราการหดตัวของเซลล์และตัวแปรอื่นๆ นักวิจัยพบว่าความตึงเครียดทางกายภาพในมวลของตัวอ่อนส่งผลโดยตรงต่อรูปแบบ "ฉันคิดว่าสิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือวิธีที่เซลล์มีปฏิสัมพันธ์กับเมทริกซ์นอกเซลล์ในลักษณะแบบไดนามิกนี้ เพื่อสร้างรูปแบบเหล่านี้" โรดริเกสกล่าว “เราตระหนักว่ามันเป็นการเต้นรำซึ่งกันและกันระหว่างคนทั้งสอง”
"นี่แสดงให้เห็นว่าการหดตัวอาจเพียงพอที่จะขับเคลื่อนการสร้างรูปแบบ" Camley กล่าว “นั่นเป็นชิ้นสำคัญใหม่จริงๆ”
กลศาสตร์ก่อน ยีนทีหลัง?
นักคณิตศาสตร์ D'Arcy Wentworth Thompson เสนอว่ากองกำลังทางกายภาพอาจชี้นำการพัฒนาไปตลอดทางในปี 1917 ในหนังสือของเขา เกี่ยวกับการเติบโตและรูปแบบทอมป์สันอธิบายว่าแรงบิดควบคุมการสร้างเขาและฟันอย่างไร ไข่และโครงสร้างกลวงอื่นๆ โผล่ออกมาอย่างไร และแม้แต่ความคล้ายคลึงกันระหว่างแมงกะพรุนกับหยดน้ำ
แต่ความคิดของทอมป์สันในเวลาต่อมาถูกบดบังด้วยคำอธิบายของทัวริง ซึ่งเชื่อมโยงได้ง่ายกว่ากับการทำความเข้าใจยีนที่เกิดขึ้นใหม่ ในบทความปี 1952 เรื่อง “The Chemical Basis of Morphogenesis” ที่ตีพิมพ์เมื่อสองปีก่อนที่เขาจะตาย ทัวริงแนะนำว่าลวดลายต่างๆ เช่น จุด ลายทาง และแม้แต่รูปร่างที่แกะสลักของกระดูกในโครงกระดูกนั้นเป็นผลมาจากการไล่ระดับสารเคมีที่เรียกว่ามอร์โฟเจน (morphogens) ที่หมุนวนไปมา มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในขณะที่กระจายไปทั่วเซลล์อย่างไม่สม่ำเสมอ โดยทำหน้าที่เป็นพิมพ์เขียวของโมเลกุล morphogens จะกระตุ้นโปรแกรมทางพันธุกรรมที่ทำให้นิ้ว แถวของฟัน หรือส่วนอื่นๆ พัฒนาขึ้น
ทฤษฎีของทัวริงเป็นที่ชื่นชอบในหมู่นักชีววิทยาเนื่องจากความเรียบง่าย และในไม่ช้ามันก็กลายเป็นหลักการสำคัญของชีววิทยาพัฒนาการ Rodrigues กล่าวว่า "ยังคงมีมุมมองระดับโมเลกุลและพันธุกรรมที่แข็งแกร่งเกี่ยวกับกลไกส่วนใหญ่ของชีววิทยา
แต่มีบางอย่างขาดหายไปจากโซลูชันนั้น หาก morphogens ทางเคมีขับเคลื่อนการพัฒนา Shyer กล่าว นักวิทยาศาสตร์ควรจะสามารถแสดงให้เห็นว่าสิ่งหนึ่งมาก่อนอีกสิ่งหนึ่ง อันดับแรกมาจากสารเคมี ตามด้วยรูปแบบ
เธอและโรดริเกสไม่สามารถแสดงสิ่งนี้ในห้องทดลองได้ ในปีพ.ศ. 2017 พวกเขาเอาหนังเอ็มบริโอไก่ชิ้นเล็กๆ และเฝ้าดูอย่างใกล้ชิดขณะที่เนื้อเยื่อมัดรวมกันเพื่อเตรียมสร้างรูขุมขน ในขณะเดียวกัน พวกเขาติดตามการกระตุ้นยีนที่เกี่ยวข้องกับการสร้างรูขุมขน สิ่งที่พวกเขาพบคือการแสดงออกของยีนนั้นเกิดขึ้นในช่วงเวลาเดียวกับที่เซลล์รวมตัวกัน แต่ไม่ใช่ก่อนหน้านี้
"แทนที่จะเป็น 'การแสดงออกของยีนก่อน แล้วจึงค่อยเป็นกลไกในภายหลัง' มันเหมือนกับว่ากลไกสร้างรูปร่างเหล่านี้ขึ้นมา" Shyer กล่าว ต่อมาพวกเขาแสดงให้เห็นว่าแม้แต่การกำจัดสารเคมีควบคุมยีนบางตัวก็ไม่ทำให้กระบวนการหยุดชะงัก “นั่นเปิดประตูให้พูดว่า 'เดี๋ยวก่อน อาจมีอย่างอื่นเกิดขึ้นที่นี่'” เธอกล่าว
The Active Soft Matter ของชีววิทยา
Shyer และ Rodrigues หวังว่างานและการสืบสวนในอนาคตของพวกเขาจะช่วยชี้แจงบทบาทของฟิสิกส์และการมีปฏิสัมพันธ์กับสารเคมีและยีนในระหว่างการพัฒนา
“เราตระหนักดีว่าการแสดงออกของยีน การส่งสัญญาณ และการสร้างแรงในการเคลื่อนที่ของเซลล์ทั้งหมดนั้นเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก” กล่าว เอ็ดวิน มันโรนักชีววิทยาระดับโมเลกุลจากมหาวิทยาลัยชิคาโกซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้
มันโรคิดว่าบทบาทของเมทริกซ์นอกเซลล์มีความสำคัญมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์ตระหนักในปัจจุบัน แม้ว่าการรับรู้ถึงบทบาทสำคัญยิ่งในการพัฒนาก็กำลังสร้างขึ้น การวิจัยล่าสุดได้เชื่อมโยงกองกำลังในเมทริกซ์นอกเซลล์กับการพัฒนาของไข่แมลงวันผลไม้เป็นต้น
โรดริเกสตกลง “มันเหมือนกับว่าเซลล์และเมทริกซ์นอกเซลล์กำลังก่อตัวเป็นวัสดุในตัวมันเอง” เขากล่าว เขาอธิบายการมีเพศสัมพันธ์ของเซลล์ที่หดตัวและเมทริกซ์นอกเซลล์ว่าเป็น "สสารอ่อนที่เคลื่อนไหว" และคิดว่ามันชี้ให้เห็นถึงวิธีคิดใหม่เกี่ยวกับการควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อนที่เกิดขึ้นผ่านแรงนอกเซลล์ ในการทำงานในอนาคต เขาและไชเออร์หวังที่จะชี้แจงรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงทางกายภาพในการพัฒนาและรวมเข้ากับมุมมองระดับโมเลกุล
"เราเคยคิดว่าถ้าเราเพียงแค่ศึกษาจีโนมที่มีความลึกและเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ทั้งหมดนี้ก็จะชัดเจน" ไชเออร์กล่าว แต่ "คำตอบสำหรับคำถามที่สำคัญอาจไม่ได้อยู่ที่ระดับของจีโนม" เมื่อดูเหมือนว่าการตัดสินใจด้านพัฒนาการเกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันของยีนและผลิตภัณฑ์ของพวกมันภายในเซลล์ แต่ความจริงที่เกิดขึ้นก็คือ "การตัดสินใจอาจเกิดขึ้นนอกเซลล์ผ่านปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพของเซลล์ซึ่งกันและกัน"
