Die Fähigkeit von Zellen, sich selbst zu bestimmten Mustern in Geweben zu organisieren, die einer Funktion dienen, ist ein universelles Merkmal des Lebens. Die Streifen eines Zebras, unsere Wimpern, die Samenspirale einer Sonnenblume und die Labyrinthmuster von Schlangenhäuten sind nur einige Beispiele.
Ein weiteres bekanntes und viel untersuchtes Muster ist das Facettenauge der Fruchtfliege. Dieses Auge ist ein stark gemustertes hexagonales Gitter aus 800 Clustern von Photorezeptorzellen. Wie entwickelt sich ein amorpher Zellklumpen zu diesem präzisen und vertrauten Muster?
Forscher der Northwestern University haben entdeckt, dass die Bildung des Musters mechanische Kräfte beinhaltet, nicht nur chemische Signale, die zwischen Zellen übertragen werden. Unter Verwendung der ersten Live-Bildgebung ihrer Art sahen die Forscher, wie sich Zellen in Position bewegten, während sich das Auge entwickelte; die Zellen sind nicht statisch, wie bisher angenommen. Diese wichtige Entdeckung liefert Prinzipien, die sich auf andere Mustersysteme erstrecken sollten.
„Es gibt überall eine Konstellation von Mustern“, sagte Richard Carthew, Professor für molekulare Biowissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences. „Aber es gibt keinen Meisterkünstler. In dieser Studie versuchen wir zu verstehen, wie sich ein Muster – ein Muster von großer Schönheit – im Körper bildet. Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die Zellen nach bestimmten Regeln in Position geschoben und gezogen werden, wie ein Schachspiel.“
Die Studie wird am 22. Februar im Online-Journal für Biowissenschaften und Biomedizin veröffentlicht eLife.
Carthew und Madhav Mani, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Mathematik an der McCormick School of Engineering, sind Co-Korrespondenzautoren der Abhandlung. Kevin Gallagher, ein Ph.D. Student der molekularen Biowissenschaften und Mitglied von Carthews Labor, ist der Erstautor der Arbeit.
„Diese Arbeit hilft uns, besser zu verstehen, wie sich das Leben selbst aufbaut“, sagte Mani, ein quantitativer Biologe. „Der Prozess ist immer noch mysteriös. Wir untersuchen das Fruchtfliegenauge, weil es ein Modellsystem ist und uns viel beigebracht hat. Es gibt erstaunliche technische Prinzipien, die man aus dem Leben lernen kann. Wir sind dieser Studie unvoreingenommen entgegengekommen und haben gelernt etwas Neues über die Selbstmontage.“
„Mit unseren speziell angefertigten Werkzeugen konnten wir etwas sehen, was noch niemand zuvor gesehen hat – eine dynamische Ansicht der Augenentwicklung“, sagte Gallagher, ebenfalls ein quantitativer Biologe. „Dass die Zellen ihren Standort wechselten, war eine völlige Überraschung. Was wir sahen, passte nicht zum historischen Paradigma. Es ist ziemlich verrückt.“
Unter Verwendung modernster Techniken sind Forscher der Northwestern University die ersten, die sehen, wie sich Zellen in dem sich entwickelnden hexagonalen Muster des Auges der Fruchtfliege in Position bewegen. Es sind mechanische Kräfte beteiligt, nicht nur chemische Signale. Gutschrift: Bitte geben Sie die Northwestern University an
Das multidisziplinäre Team verwendete von Gallagher entwickelte Spitzentechniken, um Live-Bilder zu erstellen und die Dynamik der Selbstorganisation des Auges zu analysieren. Die Forscher identifizierten die neuartige mechanische Dynamik, die zusammen mit den genetischen und biochemischen Molekülen die bemerkenswerte Leistung der Biotechnik orchestriert, die die Fliege vollbringt. Sie zeigten auch, dass sich das Auge ohne die richtigen mechanischen Kräfte nicht richtig zusammensetzt.
Neben der Live-Bildgebung, bei der das Auge außerhalb des Körpers der Fliege am Leben erhalten wurde, hing der Erfolg der Studie von einem Rechenwerkzeug ab, das Gallagher entwickelt hatte, um jede einzelne Zelle zu identifizieren und zu verfolgen. Auf diese Weise konnten die Forscher sehen, wohin sich jede Zelle über einen Zeitraum von 10 Stunden bewegt. Innerhalb einer schmalen Zone, die als Wellenfront der Musterung bezeichnet wird, gibt es eine kleine Kaskade von Zellen, in der Zellen geschoben werden, dann anhalten und andere Zellen in die richtige Position schieben , wobei das bekannte hexagonale Gitter entsteht.
„Wissenschaftler haben 50 Jahre lang versucht, das sich entwickelnde Auge sichtbar zu machen“, sagte Carthew, ein experimenteller Biologe, der sich seit langem mit Fruchtfliegenaugen beschäftigt. „Nur wenn man sich einen Film in Echtzeit ansieht, kann man verstehen, was passiert. Kevin ist der erste, dem das gelungen ist.“
Die Forschungsergebnisse könnten in der Biotechnik zur Herstellung synthetischer visueller Sensoren verwendet werden, sagte Carthew, und helfen Wissenschaftlern, besser zu verstehen, wie sich Muster in der Natur bilden.
„Wenn wir jemals hoffen, an einen Punkt zu gelangen, an dem wir in der Lage sind, ‚echte‘ Biotechnik zu betreiben, wie wir sie mit inerter Materie entwickeln, dann ist es ein Muss, die Verbindung zwischen den mechanischen und chemischen Prinzipien zu verstehen, die im Spiel sind“, sagte Mani.
Kevin D. Gallagher et al, Entstehung eines geometrischen Musters von Zellschicksalen aus der Gewebemechanik im Drosophila-Auge,eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.72806