Ali lahko eno žival spremenimo v drugo? S tem so se ukvarjali raziskovalci s Harvarda, San Diega in Dundeeja, ki so pripravili okvir, v katerem je to moč storiti. Kako? Najprej moramo vedeti nekaj reči.
Kaj je gastrulacija?
Gastrulacija je ena najpomembnejših faz v zgodnjem embrionalnem razvoju. Pred gastrulacijo so vretenčarski zarodki preproste dvodimenzionalne liste celic. Do konca gastrulacije bo zarodek začel razlikovati različne tipe celic, vzpostaviti osnovne osi telesa in ponotranjiti nekatere predhodnike za organe v tridimenzionalni strukturi.
Foto: AnnaStills iz iStock
Amnioti bodo tako kot kokoši in ljudje razvili primitivno žilo, predhodnico možganov in kože, medtem ko bodo ribe in dvoživke razvile blastopore sferične oblike.
Gastrulacija je podvig samoorganizacije, ki zahteva baletno usklajena gibanja več sto do deset tisoč celic. Toda kljub pomenu v razvoju znanstveniki le delno razumejo osnovne mehanizme, ki usklajujejo to obsežno gibanje celic.
Je možno spremeniti vzorce gastrulacije?
Skupina raziskovalcev s Harvarda, kalifornijske univerze San Diego in univerze Dundee v Združenem kraljestvu je razvila teoretični okvir, ki lahko reproducira in napove vzorce, povezane z gastrulacijo pri piščančjem zarodku.
Na podlagi svojih eksperimentalnih ugotovitev in z uporabo kombinacije teorije in eksperimenta so raziskovalci dokazali, da lahko majhne spremembe parametrov in vedenja celic dramatično vplivajo na nastale vzorce gastrulacije.
»Povezovanje razvojnih procesov, na katerih temelji morfogeneza v organizmu, z variacijami teh istih procesov v evoluciji je staro vprašanje v biologiji,« je dejal L. Mahadevan, profesor uporabne matematike Lola England de Valpine na Harvard John A. Paulson School inženirstva in uporabne znanosti (SEAS) ter profesor organske in evolucijske biologije ter fizike na Fakulteti za umetnost in znanost (FAS) ter višji avtor prispevka.
»Če se oddaljimo od gensko osredotočenega molekularnega fokusa na to vprašanje, smo vprašali, ali obstajajo nova biofizikalna načela, ki delujejo na večcelični ravni in lahko pomagajo razložiti samoorganizirane gastrulacijske vzorce tako z razvojne kot evolucijske perspektive.«
Teorija ni praksa, a vseeno
V tesnem sodelovanju z eksperimentalci so raziskovalci razvili teoretični in računalniški model, ki bi lahko poustvaril gibanje epitelne plasti celic v piščančjih zarodkih med gastrulacijo.
Skupina je nato identificirala dva parametra – enega v zvezi z začetno porazdelitvijo celic v zarodku in drugega v zvezi z vedenjem celic – za prilagajanje med gastrulacijo.
»Ko smo spremenili ta dva parametra v modelu, ki je bil samo obveščen z mehanizmi razvoja piščancev, je pokazal vzorce gastrulacije, ki so naravno vidni pri drugih vrstah,« je povedal Mattia Serra, prvi avtor članka in nekdanji sodelavec Schmidt Science.
V skladu z računskimi rezultati poskusi kažejo, da je motnja istih parametrov in vivo v piščančjem zarodku povzročila, da je piščanec oblikoval disk podoben blastopor, viden pri žabah, obročasto krožno primitivno črto, kot so tiste, ki jih vidimo pri ribah, ali podolgovata eliptična kanalu podobna proga, vidna pri kameleonu.
»Naše delo kaže, da imajo splošna biofizična načela, na katerih temeljijo aktivni samoorganizirani tokovi in sile med embriogenezo, moč razložiti razvojne procese in njihove evolucijske variacije pri različnih vrstah vretenčarjev,« je dejal Mahadevan.
»Presenečeni smo bili, ko smo videli, kako lahko preprosta mehanokemična pravila napovedujejo zelo razločne koherentne tokove tisočih celic, izmerjenih v živem piščančjem zarodku,« je dejal Serra.
Želijo si razumeti še več
Ta raziskava ne osvetljuje samo načel samoorganizacije v zgodnjem razvoju, ampak bi lahko tudi pomagala raziskovalcem razumeti evolucijsko zgodovino razvojnih procesov in predlagati načine za nadzor razvoja sintetičnih organoidov. Raziskava je proučevala zgodnje faze razvoja, ko se zarodek šele spreminja iz dvodimenzionalnega v tridimenzionalnega.
Mahadevan želi razumeti, kaj se zgodi, ko se zarodek začne zlagati in upogniti, da ustvari bolj zapletene oblike organov in sčasoma celih organizmov.
»Z uporabo našega znanja o razvojnih procesih na molekularni in celični ravni sčasoma upamo, da bomo zagotovili integriran okvir za to, kako se celice oblikujejo v tkiva in tkiva v organe, v smeri boljšega razumevanja morfogeneze,« je dejal Mahadevan.
