Biyolojide en uzun süredir devam eden sorulardan biri, tek tip hücrelerin embriyonik bir bloğu olarak başlayan bir canlının zaman içinde her biri kendine özgü desen ve özelliklere sahip çeşitli dokulara sahip bir organizmaya nasıl dönüştüğüdür. Cevap, bir leoparın beneklerini nasıl aldığını, bir zebranın çizgilerini nasıl aldığını, ağaçların dallarını nasıl aldığını ve biyolojide örüntü gelişiminin daha birçok gizemini açıklayacaktır. Yarım yüzyıldan fazla bir süredir, tercih edilen açıklama, zarif bir model matematikçi Alan Turing tarafından önerilen kimyasal sinyale dayalıdır. birçok başarı.
Ancak giderek artan sayıda bilim insanı, Turing'in teorisinin hikayenin sadece bir parçası olduğundan şüpheleniyor. “Bence, güzelliği nedeniyle ne kadar yaygın olarak uygulanması gerektiği konusunda kör olduk” dedi. Amy Utangaç, Rockefeller Üniversitesi'nde bir gelişim biyoloğu. Ona göre, hücreler büyürken ve bölünürken etki eden fiziksel kasılma ve sıkıştırma kuvvetleri de merkezi bir rol oynayabilir.
Ve şimdi bunun kanıtı var. İçinde yayınlanan makale Hücre Mayıs ayında, kıdemli yazar ve diğer gelişim biyoloğu olan Shyer Alan Rodrigues ve meslektaşları, mekanik kuvvetlerin embriyonik tavuk derisini, büyüyen tüyler için foliküller oluşturmaya teşvik edebileceğini gösterdi. Nasıl yüzey gerilimi suyu bir cam yüzey üzerindeki küresel boncuklara çekebilirse, embriyo içindeki fiziksel gerilimler de gelişmekte olan dokularda büyüme ve gen aktivitesine rehberlik eden kalıplar oluşturabilir.
Bir organizma büyüdükçe ve geliştikçe, dokularındaki hücreler birbirlerini ve karmaşık bir şekilde bağlı oldukları destekleyici protein iskelesini (hücre dışı matris) çeker ve iter. Bazı araştırmacılar, bu kuvvetlerin hücrelerin basıncı ve sertliği, karmaşık kalıpların oluşumunu yönlendirebilir. Ancak şimdiye kadar hiçbir çalışma, bu fiziksel kuvvetlerin etkisini, içinde kaynatılan kimyasal güveçten ayıramadı.
Desen Çıkarma
Rockefeller Üniversitesi'nde ortaklaşa yürüttükleri morfogenez laboratuvarında Shyer ve Rodrigues, bir tavuk embriyosunun derisini çıkardı ve hücreleri ayırmak için dokuyu parçaladı. Daha sonra bir petri kabına hücresel çözeltiden bir damla koydular ve kültürde büyümesine izin verdiler. Deri hücrelerinin tabağın zemininde bir halka şeklinde kendi kendine organize olduğunu izlediler - tıpkı embriyonun normalde olduğu hücre topunun 2 boyutlu versiyonu gibi. Titreşen ve büzülen hücreler, kendi etraflarında topladıkları hücre dışı matristeki kolajen liflerini çekerler. 48 saat boyunca, lifler yavaş yavaş döndü, bir araya toplandı ve sonra birbirlerini iterek tüy folikülleri olacak hücre demetleri oluşturdu.
"Bu, güzel bir modelin ortaya çıktığını ve nicel olarak kontrol edebileceğiniz çok temiz, basit bir deney düzeneğiydi" dedi. Brian CamleyJohns Hopkins Üniversitesi'nde çalışmaya dahil olmayan bir biyofizikçi olan Dr.
Daha sonra araştırmacılar, hücre kasılma hızını ve diğer değişkenleri ayarlayarak, embriyonik kütledeki fiziksel gerilimin örüntüyü doğrudan etkilediğini gösterdiler. Rodrigues, "Bence en büyük sürpriz, bu kalıpları oluşturmak için hücrelerin hücre dışı matrisle bu çok dinamik şekilde etkileşime girme şekliydi." Dedi. “İkisi arasında karşılıklı bir dans olduğunu anladık.”
Camley, "Bu, kontraktilitenin desen oluşumunu yönlendirmek için yeterli olabileceğini gösteriyor" dedi. “Bu gerçekten yeni bir temel parça.”
Önce Mekanik, Sonra Genler?
Matematikçi D'Arcy Wentworth Thompson, 1917'de fiziksel kuvvetlerin gelişmeyi tüm yol boyunca yönlendirebileceğini öne sürdü. Kitabında Büyüme ve Form Üzerine, Thompson, burulma kuvvetlerinin boynuz ve diş oluşumunu nasıl yönettiğini, yumurtaların ve diğer içi boş yapıların nasıl ortaya çıktığını ve hatta denizanası ile sıvı damlaları arasındaki benzerlikleri anlattı.
Ancak Thompson'ın fikirleri daha sonra Turing'in ortaya çıkan gen anlayışına daha kolay bağlanan açıklaması tarafından gölgede bırakıldı. Turing, ölümünden iki yıl önce yayınlanan 1952 tarihli “The Chemical Basis of Morphogenesis” adlı makalesinde, benekler, çizgiler ve hatta iskeletteki kemiklerin yontulmuş şekilleri gibi kalıpların, morfojenler adı verilen dönen bir kimyasal gradyanın sonucu olduğunu öne sürdü. hücreler boyunca eşit olmayan bir şekilde dağıldıkları için birbirleriyle etkileşime girerler. Moleküler bir plan olarak hareket eden morfojenler, parmakların, diş sıralarının veya diğer kısımların gelişmesine neden olan genetik programları başlatır.
Turing'in teorisi, basitliği nedeniyle biyologlar arasında sevildi ve kısa sürede gelişim biyolojisinin temel bir ilkesi haline geldi. Rodrigues, "Biyolojinin çoğu mekanizmasının hala güçlü bir moleküler ve genetik görüşü var" dedi.
Ancak bu çözümde bir şey eksikti. Shyer, eğer kimyasal morfojenler gelişmeyi sağlıyorsa, o zaman bilim adamlarının birinin diğerinden önce geldiğini gösterebilmeleri gerektiğini söyledi - önce kimyasallar, sonra model gelir.
O ve Rodrigues bunu asla laboratuvarda gösteremediler. 2017'de, tavuk embriyo derisinden küçük dilimler aldılar ve doku bir folikül oluşturmaya hazırlanırken toplanırken yakından izlediler. Bu arada, folikül oluşumunda yer alan genlerin aktivasyonunu izlediler. Buldukları şey, gen ifadesinin, hücrelerin bir araya gelmesiyle aynı zamanda gerçekleştiğiydi - ama daha önce değil.
Shyer, "Önce gen ifadesi, sonra mekanik" yerine, bir nevi mekanik bu şekilleri üretiyordu" dedi. Daha sonra, bazı gen düzenleyici kimyasalların çıkarılmasının bile süreci bozmadığını gösterdiler. “Bu, 'Hey, burada başka bir şey olabilir' demek için bir kapı açtı” dedi.
Biyolojinin Aktif Yumuşak Maddesi
Shyer ve Rodrigues, çalışmalarının ve gelecekteki araştırmalarının, fiziğin rolünü ve geliştirme sırasında kimyasallar ve genlerle olan etkileşimini açıklamaya yardımcı olacağını umuyor.
"Hücre hareketindeki tüm moleküler gen ekspresyonunun, sinyallemenin ve güç üretiminin ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlı olduğunu fark ediyoruz" dedi. Edwin MunroŞikago Üniversitesi'nde çalışmaya katılmamış bir moleküler biyolog olan Dr.
Munro, hücre dışı matrisin rolünün, bilim adamlarının şu anda fark ettiğinden daha önemli olduğunu düşünüyor, ancak gelişimdeki daha merkezi rolünün tanınması inşa ediyor. Son araştırmalar, örneğin, hücre dışı matristeki kuvvetleri meyve sineği yumurtalarının gelişimine bağladı.
Rodrigues kabul etti. "Sanki hücreler ve hücre dışı matris kendi içinde bir malzeme oluşturuyor" dedi. Kasılma hücrelerinin ve hücre dışı matrisin bu birleşmesini “aktif yumuşak madde” olarak tanımlar ve bunun hücre dışı kuvvetler yoluyla gerçekleşen embriyonik gelişimin düzenlenmesi hakkında yeni bir düşünce biçimine işaret ettiğini düşünür. Gelecekteki çalışmalarında, o ve Shyer, gelişimdeki fiziksel kuvvetlerin daha fazla ayrıntısını açıklamayı ve bunları moleküler görüşle birleştirmeyi umuyorlar.
Shyer, "Genomu daha fazla derinlik ve titizlikle incelersek, bunların hepsinin açık olacağını düşünürdük," dedi, ancak "önemli soruların cevapları genom düzeyinde olmayabilir." Bir zamanlar, gelişimsel kararların hücreler içindeki genlerin ve ürünlerinin etkileşimi yoluyla alındığı görülüyordu, ancak ortaya çıkan gerçek şu ki, “karar verme hücrenin dışında, hücrelerin birbirleriyle fiziksel etkileşimleri yoluyla gerçekleşebilir.”
