Gastrulacja jest jedną z najważniejszych faz wczesnego rozwoju embrionalnego. Przed gastrulacją zarodki kręgowców są prostymi dwuwymiarowymi arkuszami komórek. Pod koniec gastrulacji zarodek zacznie różnicować różne typy komórek, ustalać podstawowe osie ciała i internalizować niektóre prekursory narządów w trójwymiarowej strukturze. Owodniaki, podobnie jak kurczaki i ludzie, rozwiną prymitywną smugę, prekursor mózgu i skóry, podczas gdy u ryb i płazów rozwinie się blastopor w kształcie kuli.
Gastrulacja jest wyczynem samoorganizacji, wymagającym skoordynowanych ruchów setek do dziesiątek tysięcy komórek przypominających balet. Jednak pomimo jego znaczenia w rozwoju naukowcy tylko częściowo rozumieją podstawowe mechanizmy koordynujące ten ruch komórek na dużą skalę.
Obecnie zespół naukowców z Harvardu, Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i Uniwersytetu w Dundee w Wielkiej Brytanii opracował ramy teoretyczne, które mogą odtworzyć i przewidzieć wzorce związane z gastrulacją u zarodka kurczaka.
Opierając się na wynikach eksperymentów opublikowanych na początku tego roku w Science Advances oraz łącząc teorię i eksperyment, naukowcy wykazali, że niewielkie zmiany w parametrach i zachowaniu komórek mogą mieć dramatyczny wpływ na powstałe wzorce gastrulacji.
Nowe badania opublikowano także w czasopiśmie Science Advances.
„Powiązanie procesów rozwojowych leżących u podstaw morfogenezy organizmu ze zmianami tych samych procesów w trakcie ewolucji to stare pytanie w biologii” – powiedział L. Mahadevan, profesor matematyki stosowanej w Lola England de Valpine w Harvard John A. Paulson School of Inżynierii i Nauk Stosowanych (SEAS), profesor biologii organicznej i ewolucyjnej oraz fizyki na Wydziale Sztuki i Nauki (FAS) oraz główny autor artykułu. „Odchodząc od molekularnego skupienia się na genach, zapytaliśmy, czy istnieją wyłaniające się zasady biofizyczne, które działają na poziomie wielokomórkowym i mogą pomóc w wyjaśnieniu samoorganizujących się wzorców gastrulacji zarówno z perspektywy rozwojowej, jak i ewolucyjnej”.
Ściśle współpracując z eksperymentatorami, naukowcy opracowali model teoretyczny i obliczeniowy, który może odtworzyć ruch warstwy nabłonkowej komórek w zarodkach kurzych podczas gastrulacji. Następnie zespół zidentyfikował dwa parametry – jeden związany z początkowym rozmieszczeniem komórek w zarodku, a drugi związany z zachowaniem komórek – które należy dostosować podczas gastrulacji.
„Kiedy zmieniliśmy te dwa parametry w modelu, który opierał się wyłącznie na mechanizmach rozwoju piskląt, w niezwykły sposób ukazał wzorce gastrulacji naturalnie obserwowane u innych gatunków” – powiedziała Mattia Serra, pierwsza autorka artykułu i była współpracownica Schmidt Science w Grupa Mahadevana.
Serra jest adiunktem fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Zgodnie z wynikami obliczeń, eksperymenty pokazują, że zaburzenie tych samych parametrów in vivo w zarodku kury spowodowało, że pisklę utworzyło blastopor w kształcie dysku, obserwowany u żab, prymitywną smugę w kształcie pierścienia, podobną do tej obserwowanej u ryb, lub wydłużona, eliptyczna smuga przypominająca kanał widoczna u kameleona.
„Nasza praca sugeruje, że ogólne zasady biofizyczne leżące u podstaw aktywnych, samoorganizujących się przepływów i sił podczas embriogenezy mogą wyjaśniać procesy rozwojowe i ich ewolucyjne różnice u różnych gatunków kręgowców” – powiedział Mahadevan.
„Byliśmy zaskoczeni, widząc, jak proste reguły mechanochemiczne mogą przewidzieć bardzo wyraźne, spójne przepływy tysięcy komórek mierzone w żywym zarodku kurzym” – stwierdziła Serra.
Badania te nie tylko rzucają światło na zasady samoorganizacji na wczesnym etapie rozwoju, ale mogą również pomóc badaczom zrozumieć ewolucyjną historię procesów rozwojowych i zasugerować sposoby kontrolowania rozwoju syntetycznych organoidów.
W badaniu tym przyjrzano się wczesnym etapom rozwoju, kiedy zarodek właśnie przekształca się z dwuwymiarowego w trzy. Następnie Mahadevan chce zrozumieć, co się dzieje, gdy zarodek zaczyna się zwijać i wyginać, tworząc bardziej złożone kształty narządów, a ostatecznie całe organizmy.
„Wykorzystując naszą wiedzę na temat procesów rozwojowych na poziomie molekularnym i komórkowym, mamy ostatecznie nadzieję zapewnić zintegrowane ramy dla sposobu, w jaki komórki przekształcają się w tkanki, a tkanki w narządy, co pomoże w lepszym zrozumieniu morfogenezy” – powiedział Mahadevan.
Współautorami tego badania są Guillermo Serrano Nájera, Manli Chuai i Cornelis J. Weijer z Uniwersytetu w Dundee, Alex M. Plum i Sreejith Santhosh z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz Vamsi Spandan z SEAS. Projekt był częściowo wspierany przez Schmidt Science Foundation, Hellman Foundation, NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Analysis of Biology w ramach nagrody 1764269, National Institutes for Health w ramach grantu 1R01HD097068, Fundację Simonsa i Fundusz Henriego Seydoux.