Zrozumieć, w jaki sposób komórki samoorganizują się, tworząc embriony
Pytanie o to, jak zarodki wyłaniają się z pozornie nieuporządkowanej materii, są przedmiotem dociekań naukowców i filozofów od tysiącleci. Aż do XIX wieku sądzono, że przyszły kształt zarodka jest już określony w nasieniu lub jajeczku i musi jedynie rozwinąć się w formę dorosłą. „Dziś wiemy, że podczas rozwoju organizmu z zapłodnionej komórki jajowej powstają zupełnie nowe struktury, które nie są obecne w nasieniu ani jajeczku”, zauważa Patrick Müller, koordynator projektu QUANTPATTERN, kierownik Grupy Badawczej im. Maxa Plancka w Laboratorium Friedricha Mieschera i profesor na Uniwersytecie w Tybindze w Niemczech. „Takie procesy samoorganizujące rodzą pytania o to, jak ustrukturyzowany zarodek może się rozwinąć z niezróżnicowanej grupy komórek”. Zrozumienie tego procesu jest nie tylko ciekawym problemem badawczym, ale mogłoby także otworzyć drogę do przekształcania zarodkowych komórek macierzystych w złożone wielokomórkowe struktury służące do przeszczepu ludzkich tkanek.
Nodal i Lefty
Aby umożliwić dokładniejsze poznanie tego procesu, Europejska Rada ds. Badań Naukowych wsparła projekt QUANTPATTERN poświęcony dwóm kluczowym cząsteczkom sygnalizacyjnym – aktywatorze Nodal i inhibitorze Lefty – które kontrolują wczesny rozwój u kręgowców. „Ojciec nowoczesnej informatyki, Alan Turing, wysunął ponad 60 lat temu hipotezę, że cząsteczki sygnalizacyjne tworzą samoorganizujący się system złożony z aktywatora i inhibitora”, wyjaśnia Müller. „Zgodnie z jego teorią inhibitor musi poruszać się szybciej niż aktywator, w przeciwnym razie wzorce nie powstaną”. Powstała hipoteza, że białka Nodal i Lefty tworzą rodzaj systemu aktywator-inhibitor, którego istnienie postulował Turing. Wcześniejsze badania wykazały, że Lefty ma większą mobilność niż Nodal, wizualizacja tych sygnałów w rozwoju tkanek oraz manipulowanie ich ruchliwością okazały się jednak niezwykle trudne. Aby temu zaradzić, zespół projektu QUANTPATTERN starał się zidentyfikować molekuły, które regulują ruchliwość Nodala i Lefty podczas rozwoju danio pręgowanego. Następnie połączono modelowanie matematyczne z precyzyjnym manipulowaniem wielkością zarodka danio pręgowanego. „Pozwoliło to nam określić, jak różne rodzaje mobilności Nodal i Lefty mogą wyczuwać długość zarodka i odpowiednio dostosować proporcje tkanek”, mówi Müller. Jeszcze ambitniejszym celem było przeanalizowanie systemu Nodal-Lefty w embrionalnych komórkach macierzystych myszy. Komórki te, otrzymywane w hodowli tkankowej, spontanicznie samoorganizują się w trójwymiarowe sfery przypominające zarodki.
Samoorganizujące się sieci
Müllerowi i jego zespołowi udało się zidentyfikować kluczowe interakcje na poziomie molekularnym i określić warunki, w których można dostosować proporcje wzorców w zarodkach różnej wielkości. Zespół ustalił też, w jaki sposób Nodal współdziała z innymi szlakami sygnałowym, aby wpłynąć na samoorganizujące się ciała embrionalne u myszy. Ustalenia te stanowią znaczący przełom w naszym rozumieniu tego, jak zaczyna się nowe życie na poziomie molekularnym. Co równie ważne, projekt otworzył drogę do analizy bardziej złożonych systemów biologicznych przy pomocy nowej komputerowej metody matematycznej do analizowania milionów realistycznych sieci aktywatorów-inhibitorów. „Udało nam się zidentyfikować możliwości generowania strukturyzowanych zarodków bez różnych mobilności aktywatorów i inhibitorów”, dodaje Müller. „To odkrycie podważa wcześniejsze teorie oparte na analizach uproszczonych systemów. Powinno także przyczynić się do lepszego zrozumienia – i być może również wytworzenia – złożonych samoorganizujących się systemów”. Wiedza będąca owocem projektu QUANTPATTERN jest obecnie wykorzystywana do opracowywania sztucznych systemów spontanicznie tworzących wzorce okresowe. To pozwoli Müllerowi i jego zespołowi przetestować ich teorie oraz może przyczynić się do powstania nowych podejść z zakresu przeszczepu ludzkich tkanek. W dalszej perspektywie uczeni zamierzają przyjrzeć się także innym szlakom sygnałowym. Część tych badań zostanie przeprowadzona w ramach nowego projektu finansowanego przez ERBN o nazwie ACE-OF-SPACE.
Słowa kluczowe
QUANTPATTERN, zarodek, komórki, nasienie, jajeczko, Nodal, Lefty, Turing, biologiczne
