Eine der beständigsten und grundlegendsten Fragen des Lebens ist: Wie geschieht es? Wie organisieren sich beispielsweise Zellen in der menschlichen Entwicklung selbst zu Haut, Muskeln oder Knochen? Wie bilden sie ein Gehirn, einen Finger, eine Wirbelsäule?
Obwohl die Antworten auf solche Fragen noch unbekannt sind, liegt eine wissenschaftliche Forschungsrichtung im Verständnis der Gastrulation – dem Stadium, in dem sich Embryozellen von einer einzelnen Schicht zu einer mehrdimensionalen Struktur mit einer Hauptkörperachse entwickeln. Beim Menschen erfolgt die Gastrulation etwa 14 Tage nach der Empfängnis.
In diesem Stadium ist es nicht möglich, menschliche Embryonen zu untersuchen, daher konnten Forscher der University of California San Diego, der University of Dundee (UK) und der Harvard University die Gastrulation an Hühnerembryonen untersuchen, die viele Ähnlichkeiten mit menschlichen Embryonen in diesem Stadium aufweisen .
Diese Forschung wurde mithilfe dessen durchgeführt, was Mattia Serra, Assistenzprofessor für Physik an der UC San Diego, eine ideale Schleife nennt: eine interdisziplinäre Hin- und Herkombination von theoretischer und experimenteller Wissenschaft. Mattia ist ein Theoretiker, der sich für die Suche nach neuen Mustern in komplexen biophysikalischen Systemen interessiert.
Hier erstellten er und sein Team ein mathematisches Modell basierend auf Beiträgen von Biologen der University of Dundee. Das Modell war in der Lage, die unter einem Mikroskop beobachteten Gastrulationsflüsse – die Bewegung Zehntausender Zellen im gesamten Hühnerembryo – genau vorherzusagen. Dies ist das erste Mal, dass ein selbstorganisierendes mathematisches Modell diese Ströme in Hühnerembryonen reproduzieren konnte.
Die Biologen wollten dann sehen, ob das Modell nicht nur das reproduzieren konnte, was sie experimentell als wahr erkannten, sondern auch vorhersagen konnte, was unter anderen Bedingungen passieren könnte. Serras Team „störte“ das Modell – mit anderen Worten, indem es die Anfangsbedingungen oder die aktuellen Parameter änderte.
Die Ergebnisse waren überraschend: Das Modell erzeugte Zellströme, die auf natürliche Weise beim Küken nicht beobachtet wurden, wohl aber bei zwei anderen Wirbeltierarten – dem Frosch und dem Fisch.
Um sicherzustellen, dass es sich bei diesen Ergebnissen nicht um eine mathematische Fantasie des Modells handelte, ahmten Biologiemitarbeiter die genauen Störungen des Modells im Labor am Hühnerembryo nach. Bemerkenswerterweise zeigten diese manipulierten Hühnerembryonen auch Gastrulationsflüsse, die natürlicherweise bei Fischen und Fröschen beobachtet werden.
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittelegen nahe, dass sich bei allen Wirbeltierarten die gleichen physikalischen Prinzipien entwickelt haben könnten, die hinter der multizellulären Selbstorganisation stehen.
„Fische, Frösche und Küken leben alle in unterschiedlichen Umgebungen, sodass der evolutionäre Druck im Laufe der Zeit möglicherweise die Parameter und die Anfangsbedingungen der Embryonalentwicklung verändert hat“, erklärte Serra. „Aber einige der selbstorganisierenden Grundprinzipien, zumindest in diesem frühen Stadium der Gastrulation, könnten bei allen dreien gleich sein.“
Serra und seine Mitarbeiter untersuchen nun andere Mechanismen, die zu selbstorganisierenden Mustern im Embryo-Maßstab führen. Sie hoffen, dass diese Forschung das Design von Biomaterialien und die regenerative Medizin voranbringen könnte, um Menschen zu einem längeren und gesünderen Leben zu verhelfen.
„Der menschliche Körper ist das komplexeste dynamische System, das es gibt“, erklärte er. „Es gibt so viele interessante biologische, physikalische und mathematische Fragen zu unserem Körper – es ist schön, darüber nachzudenken. Die Entdeckungen, die wir machen können, sind endlos.“
Mehr Informationen:
Mattia Serra et al., Ein mechanochemisches Modell rekapituliert verschiedene Gastrulationsmodi von Wirbeltieren, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh8152