Способность клеток к самоорганизации в определенные паттерны в тканях, которые выполняют определенную функцию, является универсальной чертой жизни. Полоски зебры, наши ресницы, спираль семян подсолнуха и лабиринты змеиной кожи — вот лишь несколько примеров.

Другой хорошо известный и хорошо изученный паттерн — сложный глаз плодовой мушки. Этот глаз представляет собой сильно структурированную шестиугольную решетку из 800 кластеров фоторецепторных клеток. Как аморфный сгусток клеток превращается в этот точный и знакомый узор?

Исследователи Северо-Западного университета обнаружили, что в формировании паттерна участвуют механические силы, а не только химические сигналы, передаваемые между клетками. Используя первую в своем роде живую визуализацию, исследователи увидели, как клетки перемещаются в нужное положение по мере развития глаза; клетки не статичны, как считалось ранее. Это крупное открытие дает принципы, которые следует распространить на другие системы шаблонов.

«Везде, куда ни глянь, есть созвездие паттернов», — сказал Ричард Картью, профессор молекулярной биологии Колледжа искусств и наук Вайнберга. «Но мастера-художника не существует. В этом исследовании мы пытаемся понять, как один узор — узор необычайной красоты — формируется в организме. К нашему удивлению, мы обнаружили, что клетки толкаются и притягиваются в нужное положение по определенным правилам. как игра в шахматы».

Исследование будет опубликовано 22 февраля в онлайн-журнале  eLife, посвященном наукам о жизни и биомедицине .

Картью и Мадхав Мани, доцент кафедры инженерных наук и прикладной математики Инженерной школы Маккормика, являются соавторами статьи. Кевин Галлахер, доктор философии. студент в области молекулярной биологии и сотрудник лаборатории Картью, является первым автором статьи.

«Эта работа помогает нам лучше понять, как строится жизнь», — сказал Мани, количественный биолог. «Процесс до сих пор остается загадкой. Мы изучаем глаз плодовой мушки, потому что это модельная система, которая многому научила нас. Существуют удивительные инженерные принципы, которым можно научиться у жизни. Мы подошли к этому исследованию непредвзято и узнали что-то новое о самосборке».

«С помощью наших специально разработанных инструментов мы смогли увидеть то, чего никто раньше не видел, — динамическое представление о развитии глаза», — сказал Галлахер, также биолог, занимающийся количественной оценкой. «То, что клетки перемещались, было полной неожиданностью. То, что мы увидели, не вписывалось в историческую парадигму. Это довольно безумно».

Многопрофильная команда использовала передовые методы, разработанные Галлахером, для визуализации и анализа динамики самосборки глаза. Исследователи выявили новую механическую динамику, которая в сочетании с генетическими и биохимическими молекулами обеспечивает выдающийся биоинженерный подвиг, которого достигает муха. Они также продемонстрировали, что без правильных механических сил глаз не может самостоятельно собраться должным образом.

В дополнение к живому изображению, в котором глаз оставался живым вне тела мухи, успех исследования зависел от вычислительного инструмента, созданного Галлахером для идентификации и отслеживания каждой отдельной клетки. Это позволило исследователям увидеть, куда движется каждая клетка в течение 10 часов. В узкой зоне, называемой волновым фронтом формирования паттерна, есть небольшой каскад клеток, где клетки толкаются, затем останавливаются и толкают другие клетки в нужное положение. , с появлением знакомой шестиугольной решетки.

«Ученые в течение 50 лет пытались визуализировать развивающийся глаз», — сказал Картью, биолог-экспериментатор, долгое время изучавший глаза плодовой мушки. «Только посмотрев фильм в режиме реального времени, можно понять, что происходит. Кевин — первый, кому это удалось».

По словам Картью, результаты исследования могут быть использованы в биоинженерии для создания синтетических визуальных датчиков, а также помочь ученым лучше понять, как в природе формируются закономерности.

«Если мы когда-нибудь надеемся достичь точки, позволяющей заниматься «настоящей» биоинженерией, когда мы создаем инертную материю, то понимание связи между механическими и химическими принципами в игре является обязательным», — сказал Мани.