Schopnost buněk samoorganizovat se do specifických vzorců v tkáních, které slouží nějaké funkci, je univerzální rys života. Pruhy zebry, naše řasy, spirála semen ve slunečnici a bludiště hadích kůží jsou jen některé příklady.
Dalším dobře známým a hodně studovaným vzorem je složené oko ovocné mušky. Toto oko je vysoce vzorovaná hexagonální mřížka 800 shluků fotoreceptorových buněk. Jak se z amorfního bločku buněk vyvine tento přesný a známý vzor?
Vědci ze Severozápadní univerzity zjistili, že tvorba vzoru zahrnuje mechanické síly, nejen chemické signály přenášené mezi buňkami. Pomocí živého zobrazování prvního svého druhu vědci viděli, jak se buňky pohybují do polohy, jak se oko vyvíjí; buňky nejsou statické, jak se dříve věřilo. Tento významný objev poskytuje principy, které by se měly rozšířit i na další systémy vzorů.
"Všude, kam se podíváte, je konstelace vzorů," řekl Richard Carthew, profesor molekulárních biověd na Weinberg College of Arts and Sciences. "Ale neexistuje žádný mistrovský umělec. V této studii se snažíme porozumět tomu, jak se jeden vzor - vzor velké krásy - tvoří v těle. K našemu překvapení jsme zjistili, že buňky jsou tlačeny a přitahovány do polohy podle určitých pravidel." jako šachová partie."
Studie bude zveřejněna 22. února v online časopise eLife pro vědy o živé přírodě a biomedicínu.
Carthew a Madhav Mani, odborný asistent inženýrských věd a aplikované matematiky na McCormick School of Engineering, jsou spoluodpovídajícími autory článku. Kevin Gallagher, Ph. D. student molekulárních biověd a člen Carthewovy laboratoře je prvním autorem článku.
„Tato práce nám pomáhá lépe porozumět tomu, jak se život buduje,“řekl Mani, kvantitativní biolog. "Tento proces je stále záhadný. Studujeme oko ovocné mušky, protože je to modelový systém a bylo využito k tomu, abychom se toho naučili hodně. Existují úžasné inženýrské principy, které se můžeme naučit od života. Přistoupili jsme k této studii s otevřenou myslí a naučili jsme se něco nového o vlastní montáži."
„S našimi nástroji vytvořenými na míru jsme byli schopni vidět něco, co ještě nikdo neviděl – dynamický pohled na vývoj oka,“řekl Gallagher, rovněž kvantitativní biolog. "To, že se buňky přesouvaly, bylo naprosté překvapení. To, co jsme viděli, neodpovídalo historickému paradigmatu. Je to docela šílené."
Multidisciplinární tým použil nejmodernější techniky vyvinuté Gallagherem k živému zobrazení a analýze dynamiky samosestavení oka. Vědci identifikovali novou mechanickou dynamiku, která ve shodě s genetickými a biochemickými molekulami řídí pozoruhodný výkon bioinženýrství, kterého moucha dosahuje. Prokázali také, že bez správných mechanických sil se oko správně nesestaví.
Kromě živého zobrazování, při kterém bylo oko udržováno naživu mimo tělo mouchy, závisel úspěch studie na výpočetním nástroji, který Gallagher vytvořil k identifikaci a sledování každé jednotlivé buňky. To umožnilo výzkumníkům vidět, kam se každá buňka dostane po dobu 10 hodin. V úzké zóně, nazývané vlnoplocha vzorování, existuje malá kaskáda buněk, kde jsou buňky tlačeny, pak se zastaví a tlačí ostatní buňky do správné polohy., přičemž se objevuje známá šestiúhelníková mřížka.
"Vědci se 50 let pokoušeli vizualizovat vyvíjející se oko," řekl Carthew, experimentální biolog, který dlouho studoval oči ovocných mušek. "Pouze sledováním filmu v reálném čase pochopíte, co se děje. Kevin je první, kdo toho dosáhl."
Výsledky výzkumu by mohly být použity v bioinženýrství k výrobě syntetických vizuálních senzorů, řekl Carthew, kromě toho, že by vědcům pomohly lépe porozumět tomu, jak se v přírodě tvoří vzory.
„Pokud někdy doufáme, že se dostaneme do bodu, kdy budeme schopni dělat ‚opravdové‘bioinženýrství, když inženýrujeme s inertní hmotou, pak je nutné pochopit spojení mezi mechanickými a chemickými principy ve hře,“Mani řekl.
Výzkum podpořily National Institutes of He alth (grant R35GM118144), National Science Foundation (grant 1764421) a Simons Foundation (grant 597491).
