Một trong những câu hỏi tồn tại lâu nhất trong sinh học là làm thế nào mà một sinh vật bắt đầu từ một khối phôi bào gồm các tế bào đồng nhất biến đổi theo thời gian thành một sinh vật với các mô đa dạng, mỗi mô lại có kiểu dáng và đặc điểm riêng biệt. Câu trả lời sẽ giải thích cách một con báo có đốm, ngựa vằn có sọc, cây có cành và nhiều bí ẩn khác về sự phát triển mô hình trong sinh học. Trong hơn nửa thế kỷ, lời giải thích được ưa chuộng là một người mẫu thanh lịch dựa trên tín hiệu hóa học do nhà toán học Alan Turing đề xuất, nhiều thành công.
Nhưng ngày càng có nhiều nhà khoa học nghi ngờ rằng lý thuyết của Turing chỉ là một phần của câu chuyện. “Theo ý kiến của tôi, chúng tôi đã mù mờ về việc nó nên được áp dụng rộng rãi như thế nào chỉ vì vẻ đẹp của nó,” nói Amy Shyer, một nhà sinh học phát triển tại Đại học Rockefeller. Theo quan điểm của bà, các lực co và nén vật lý tác động lên các tế bào khi chúng phát triển và phân chia cũng có thể đóng một vai trò trung tâm.
Và bây giờ cô ấy đã có bằng chứng về điều đó. Trong một bài báo được xuất bản trong Pin vào tháng XNUMX, Shyer, đồng tác giả cao cấp và nhà sinh học phát triển đồng nghiệp của cô Alan Rodrigues và các đồng nghiệp của họ đã chỉ ra rằng các lực cơ học có thể làm cho da gà phôi thai tạo ra các nang lông để phát triển. Giống như sức căng bề mặt có thể kéo nước thành các hạt hình cầu trên bề mặt thủy tinh, thì sức căng vật lý bên trong phôi thai cũng có thể thiết lập các mô hình hướng dẫn sự phát triển và hoạt động của gen trong các mô đang phát triển.
Khi một sinh vật lớn lên và phát triển, các tế bào trong mô của nó kéo và đẩy lẫn nhau và trên giàn giáo protein hỗ trợ (chất nền ngoại bào) mà chúng được liên kết phức tạp với nhau. Một số nhà nghiên cứu đã nghi ngờ rằng những lực lượng này, cùng với những thay đổi trong áp suất và độ cứng của các tế bào, có thể chỉ đạo việc hình thành các mẫu phức tạp. Tuy nhiên, cho đến nay, không có nghiên cứu nào có thể phân biệt tác động của các lực vật lý này với chất hầm hóa học trong đó chúng sôi sùng sục.
Kéo ra một mẫu
Trong phòng thí nghiệm phát sinh hình thái tại Đại học Rockefeller mà họ cùng đứng đầu, Shyer và Rodrigues đã loại bỏ da từ phôi gà và phân hủy mô để tách các tế bào ra. Sau đó, họ nhỏ một giọt dung dịch tế bào vào đĩa petri và để nó phát triển trong môi trường nuôi cấy. Họ quan sát khi các tế bào da tự tổ chức thành một vòng trên sàn đĩa - giống như phiên bản 2-D của quả bóng tế bào mà phôi thai thường trở thành. Nhồi máu và co lại, các tế bào kéo các sợi collagen trong ma trận ngoại bào mà chúng tập hợp xung quanh mình. Qua 48 giờ, các sợi dần dần xoay tròn, chụm lại với nhau rồi đẩy nhau ra, tạo thành những chùm tế bào sẽ trở thành nang lông.
“Đây là một thiết lập thử nghiệm đơn giản, rõ ràng, nơi bạn có thể thấy một mẫu đẹp xuất hiện và kiểm soát định lượng nó,” nói Brian Camley, một nhà lý sinh tại Đại học Johns Hopkins, người không tham gia vào nghiên cứu.
Sau đó, bằng cách điều chỉnh tốc độ co lại của tế bào và các biến số khác, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng sức căng vật lý trong khối phôi ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình. “Tôi nghĩ điều ngạc nhiên lớn nhất là cách các tế bào tương tác với chất nền ngoại bào theo cách rất năng động này, để tạo ra những mô hình này,” Rodrigues nói. "Chúng tôi nhận ra rằng đó là một điệu nhảy tương hỗ giữa hai người."
“Điều này cho thấy rằng sự co bóp có thể đủ để thúc đẩy sự hình thành các mẫu,” Camley nói. "Đó là một phần thiết yếu thực sự mới."
Cơ học đầu tiên, gen sau?
Nhà toán học D'Arcy Wentworth Thompson đề xuất rằng các lực vật lý có thể định hướng sự phát triển trở lại vào năm 1917. Trong cuốn sách của ông Về sự phát triển và hình thứcThompson đã mô tả cách lực xoắn chi phối sự hình thành sừng và răng, cách trứng và các cấu trúc rỗng khác nổi lên, và thậm chí cả những điểm tương đồng giữa sứa và giọt chất lỏng.
Nhưng những ý tưởng của Thompson sau đó đã bị lu mờ bởi lời giải thích của Turing, điều này giúp kết nối dễ dàng hơn với sự hiểu biết mới về gen. Trong một bài báo năm 1952, “Cơ sở hóa học của sự phát sinh hình thái”, xuất bản hai năm trước khi ông qua đời, Turing cho rằng các hoa văn như đốm, sọc và thậm chí hình dạng điêu khắc của xương trong bộ xương là kết quả của một gradient xoáy của các hóa chất được gọi là hình thái học. tương tác với nhau khi chúng khuếch tán không đều khắp các tế bào. Hoạt động như một bản thiết kế phân tử, các hình thái sẽ khởi động các chương trình di truyền khiến các ngón tay, hàng răng hoặc các bộ phận khác phát triển.
Lý thuyết của Turing được các nhà sinh học yêu thích vì tính đơn giản của nó, và nó nhanh chóng trở thành nguyên lý cốt lõi của sinh học phát triển. Rodrigues nói: “Vẫn có một quan điểm phân tử và di truyền mạnh mẽ về hầu hết các cơ chế của sinh học.
Nhưng một cái gì đó đã bị thiếu trong giải pháp đó. Shyer nói nếu các chất hình thái hóa học thúc đẩy sự phát triển thì các nhà khoa học có thể chỉ ra rằng cái này đi trước cái kia - trước tiên là hóa chất, sau đó mới đến mô hình.
Cô và Rodrigues không bao giờ có thể thể hiện điều này trong phòng thí nghiệm. Vào năm 2017, họ đã lấy những lát da nhỏ của phôi gà và theo dõi chặt chẽ khi các mô này kết tụ lại để chuẩn bị hình thành nang trứng. Trong khi đó, họ theo dõi sự hoạt hóa của các gen liên quan đến sự hình thành nang trứng. Những gì họ phát hiện ra là sự biểu hiện gen xảy ra cùng thời điểm mà các tế bào tập hợp lại - nhưng không phải trước đó.
Shyer nói: “Thay vì 'biểu hiện gen trước, rồi cơ học sau', nó giống như cơ học đang tạo ra những hình dạng này. Sau đó, họ cho thấy rằng ngay cả khi loại bỏ một số hóa chất điều chỉnh gen cũng không làm gián đoạn quá trình. “Điều đó mở ra một cánh cửa để nói, 'Này, có thể có chuyện khác đang diễn ra ở đây,' 'cô nói.
Vật chất mềm hoạt động của sinh học
Shyer và Rodrigues hy vọng rằng công việc của họ và các cuộc điều tra trong tương lai sẽ giúp làm sáng tỏ vai trò của vật lý và sự tương tác của nó với các chất hóa học và gen trong quá trình phát triển.
“Chúng tôi đang nhận ra rằng tất cả các biểu hiện gen phân tử, tín hiệu và sản xuất lực trong chuyển động của tế bào chỉ được kết hợp chặt chẽ với nhau,” nói Edwin Munro, một nhà sinh học phân tử tại Đại học Chicago, người không tham gia vào nghiên cứu.
Munro cho rằng vai trò của chất nền ngoại bào quan trọng hơn những gì các nhà khoa học nhận thấy hiện nay, mặc dù việc công nhận vai trò trung tâm hơn của nó đối với sự phát triển đang được xây dựng. Ví dụ, nghiên cứu gần đây đã liên kết các lực lượng trong chất nền ngoại bào với sự phát triển của trứng ruồi giấm.
Rodrigues đồng ý. Ông nói: “Nó giống như các tế bào và chất nền ngoại bào đang hình thành một vật liệu trong và của chính nó. Ông mô tả sự kết hợp này của các tế bào co bóp và chất nền ngoại bào là "vật chất mềm hoạt động" và cho rằng nó chỉ ra một cách suy nghĩ mới về quy định phát triển phôi thai xảy ra thông qua các lực ngoại bào. Trong công việc trong tương lai, ông và Shyer hy vọng sẽ làm sáng tỏ thêm chi tiết về các lực vật lý trong quá trình phát triển và hợp nhất chúng với quan điểm phân tử.
Shyer nói: “Chúng tôi từng nghĩ nếu chúng tôi chỉ nghiên cứu bộ gen ngày càng chuyên sâu và chặt chẽ hơn thì tất cả điều này sẽ rõ ràng, nhưng“ câu trả lời cho những câu hỏi quan trọng có thể không nằm ở cấp độ bộ gen ”. Đã từng có vẻ như các quyết định phát triển được thực hiện thông qua sự tác động lẫn nhau của các gen và các sản phẩm của chúng trong tế bào, nhưng sự thật mới nổi là “việc ra quyết định có thể xảy ra bên ngoài tế bào, thông qua các tương tác vật lý của các tế bào với nhau”.
