Группа ученых из Женевского университета заставили мышечные клетки спонтанно воспроизводить простые формы в пробирке. Исследователи искали ответ на вопрос — как формируются разные формы наших органов и тканей.
Для этого биохимики объединили свои усилия с физиками, и попытались проверить гипотезу, что многоклеточная ткань способна к самомоделированию и принятию определенных конфигураций. Результаты опубликованы в журнале «Природные материалы».
Для эксперимента взяли мышечные клетки человека, способные сокращаться. Когда клетки помещали на плоскую поверхность, они выстраивались в линии и образовывали структуры, похожие на «пшеничное поле, по которому прошел ветер». В некоторых местах этого «поля» возникали внезапные изменения направления — так называемые «топологические дефекты». Это места, где физические силы, действующие на клетки, либо слабы, либо наоборот огромны.
Чтобы понять, как эти дефекты сказываются на формах ткани, ученые ограничили пространство клеток формой круга и обнаружили, что они быстро самоорганизовались и выстроились в одном направлении. Клетки начали быстро вращаться вместе, образуя упорядоченную спираль. При таком движении в центре круга остается только один топологический дефект.
«Мы видим, что спираль, концентрирующая клеточные силы в своем центре, аккумулирует там новообразованные клетки путем клеточного деления. Таким образом, спираль будет постепенно превращаться в вихрь, создавая выступ или выпячивание ткани в середине диска. Он может достигать до полумиллиметра, что очень много для основания размером даже не в сотые доли миллиметра», — объясняет Карстен Крузе, профессор кафедры биохимии и теоретической физики Женевского университета.
Этот выступ поддерживается коллективными силами вращения клеток, похожими на настоящий маленький клеточный торнадо. Образование такого клеточного вихря представляет собой, по словам ученых, простой механизм спонтанного морфогенеза. Такие же деформации клеточного слоя и превращения его в выступ наблюдаются при развитии эмбриона.
В результатах исследования, ученые также подчеркивают, что именно топологические дефекты контролируют организацию клеток и определяют форму, которую они примут.
«Наше исследование показывает, что клетки не избегают законов физики, но, подвергаясь тем же ограничениям, что и все материалы, используют их, чтобы концентрировать свои силы и создавать формы, которые можно увидеть только в живых организмах», — добавляет Крузе.
Теперь ученые планируют продолжить исследования различных механизмов развития эмбрионов — на простых примерах эмбрионов и сравнить данные с полученными в пробирке.
Использованы материалы
