Neuer Blick auf die Morphogenese
Die Morphogenese, der biologische Prozess, durch den eine Zelle, ein Gewebe oder ein Organ seine Form und Gestalt entwickelt, ist eines der bemerkenswertesten Beispiele biologischer Selbstorganisation. Sie ist gleichermaßen eines der großen Rätsel der Biologie. „Zu verstehen, wie der Bauplan während der Morphogenese entsteht, stellt eine zentrale Frage der Forschung in der Entwicklungsbiologie und Biophysik dar“, erklärt Kinneret Keren(öffnet in neuem Fenster), Biophysikerin am Israel Institute of Technology(öffnet in neuem Fenster) (Technion). Zur Beantwortung dieser Frage trägt nun das EU-finanzierte Projekt HydraMechanics(öffnet in neuem Fenster) bei. „Unsere Forschung zielt darauf ab, den Prozess der Morphogenese aus einer biophysikalischen Perspektive zu beleuchten, wobei wir uns auf die Rolle mechanischer Kräfte und Rückkopplungen bei der Bildung und Stabilisierung des Bauplans konzentrieren“, fügt Keren, Leiterin des Projekts, hinzu.
Regenerationsfähigkeit der Gattung Hydra verstehen
Um die mechanischen Grundlagen der Morphogenese zu erforschen, wandte sich das Team des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts der Gattung der Süßwasserpolypen (Hydra) zu, die kleine Süßwasser-Raubtiere vereint. Zur Gattung Hydra zählt ein vielzelliges Tier mit einem einachsigen Körperbau und einer bemerkenswerten Regenerationsfähigkeit. „Dank ihres einfachen Bauplans und ihrer experimentellen Flexibilität ist Hydra ein klassisches Modellsystem zur Erforschung der Morphogenese“, berichtet sie. Mithilfe moderner Bildgebungs- und Manipulationswerkzeuge betrachtete das Team die mechanischen Mechanismen, die der Bildung und Stabilisierung des Bauplans während der Hydra-Regeneration zugrunde liegen, auf Zell- und Gewebeebene genauer.
Mechanismen der Gewebeorganisation und -regeneration
Eine der zentralen Hypothesen des Projekts lautete, dass Hydra über mechanische Rückkopplungsmechanismen verfügt, die letztlich zu einer robusten Gewebeorganisation, Achsenbildung und Regeneration führen. „Um den Einfluss dieser mechanischen Kräfte und Rückkopplungen auf den Regenerationsprozess von Hydra direkt zu erkunden, haben wir verschiedene externe mechanische Störungen angewendet und ihren Einfluss auf den Prozess und die endgültige Morphologie des regenerierten Tieres untersucht“, erklärt Keren. Das Projektteam befasste sich außerdem mit der Frage, wie die Polarität der Körperachse während der Morphogenese hergestellt und aufrechterhalten wird. Wie Keren erklärt, erfordert die Polarität eine globale Koordination innerhalb des gesamten Organismus, um eine klar definierte Körperachse zu erzeugen. Gleichzeitig manifestiert sie sich lokal im Verhalten und in der Differenzierung einzelner Zellen innerhalb des Gewebes. „Von der Überprüfung, wie sich die Mechanik und die dynamische Organisation des Aktinzytoskeletts auf die Etablierung und Aufrechterhaltung der Polarität während der Regeneration auswirken, erhofften wir uns neue Erkenntnisse über die Mechanismen, die das Zellverhalten koordinieren und die Polarität der Körperachse während der Morphogenese etablieren“, erklärt sie.
Kein Grund, den Kopf zu verlieren
Auf der Grundlage dieser Forschungslinien hat das Projektteam mehrere wichtige Entdeckungen verzeichnet. Beispielsweise wurde bewiesen, wie die großmaßstäbliche strukturelle Vererbung der Zytoskelettorganisation die Körperachse bei Hydra während der Regeneration steuern kann. Eine der interessantesten Feststellungen hat mit der einzigartigen Fähigkeit von Hydra zu tun, einen verlorenen Kopf zu regenerieren. Hier konnten die Forschenden demonstrieren, dass die zukünftige Kopfregion innerhalb der sich regenerierenden Gewebefragmente mehrfach gedehnt, zerrissen und verformt wird. Viele der Projektergebnisse wurden in verschiedenen wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht und können online eingesehen werden. „Unsere Forschung zur Regeneration bei Hydra ist ein wichtiger Schritt hin zur Integration von Mechanik und weiteren Entwicklungsprozessen in ein vereinheitlichtes biophysikalisches Rahmenwerk der Morphogenese“, schließt Keren. „Somit können die aus unserer Arbeit gewonnenen Erkenntnisse die mechanischen Grundlagen der Morphogenese bei anderen Organismen in ein neues Licht rücken.“
