Kachelungsmechanismen des Facettenauges von Drosophila durch geometrische Tessellation

Kachelmuster, bei denen die gleiche Form lückenlos angelegt ist, sind auf Burgmauern und Schachbrettern in künstlichen Objekten zu sehen, in der Biologie in Komplexaugen von Insekten und Bienenstöcken. Quadratische Kacheln sind in künstlichen Objekten üblich, während sechseckige Kacheln in Lebewesen vorkommen. Es wurde angenommen, dass dies an den physikalischen Eigenschaften des Sechsecks lag, das strukturell robust ist, der Umfang jeder Kachel kurz ist und der Grad der Raumfüllung hoch ist.

Es ist jedoch bekannt, dass die Facettenaugen von Garnelen und Hummer ein quadratisches Kachelmuster zeigen und dass die von Fangschreckenkrebsen aus einem Kachelmuster bestehen, in dem Quadrate und Sechsecke gemischt sind. Das Facettenauge der Fliege, Drosophila, zeigt normalerweise auch ein sechseckiges Fliesenmuster, aber bei einigen Mutanten ändert sich das Muster zu einem quadratischen Typ. Aufgrund dieser Beobachtungen wird angenommen, dass das Kachelmuster von Facettenaugen nicht nur durch ihre physikalische Stabilität gesteuert wird. Es war jedoch unbekannt, wie ein solches Kachelmuster bestimmt wird und durch welchen Mechanismus die sechseckigen und quadratischen Muster von einem zum anderen vertauscht werden.

Eine Studie, jetzt veröffentlicht in Aktuelle Biologie, wurde von einem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Sato von der Kanazawa-Universität unter Beteiligung von Forschern der Hokkaido-Universität, der Toyama-Universität und der Salesian Polytechnic durchgeführt. Das Facettenauge von Wildtyp-Drosophila-Individuen zeigt ein sechseckiges Kachelmuster, das sich bei einigen Mutanten in ein quadratisches Kachelmuster ändert (Abb. 1). Da das Facettenauge in der quadratischen Mutante kleiner ist, vermutete das Team, dass die Größe des Facettenauges selbst das Kachelmuster beeinflussen könnte. Da das Facettenauge bei dieser Mutante in dorsoventraler (vertikaler) Richtung kleiner war, dachten sie, dass das Facettenauge-Gewebe durch die Verbindung mit dem Kopf in vertikaler Richtung gezogen und gedehnt werden könnte. Tatsächlich wurde festgestellt, dass die Spannung in vertikaler Richtung im kleinen Facettenauge der Mutante vom quadratischen Typ erhöht war und das Gewebe des Facettenauges in vertikaler Richtung verlängert war (Abb. 1). Das einfache Ziehen des Facettenauges in vertikaler Richtung sollte jedoch dazu führen, dass die Sechsecke nur vertikal gestreckt werden, konnte jedoch nicht erklären, warum sich die Sechsecke in Quadrate geändert haben.

Eine geometrische Methode namens Voronoi-Tessellation kann eine Region gleichmäßig um mehrere Mutterpunkte auf einer Ebene verteilen. Dies wird beispielsweise bei der Entscheidung über den geeigneten Schulbezirk für eine Grundschule herangezogen (Abb. 2). Die Mittelsenkrechte zu dem Liniensegment, das die Mutterpunkte (Grundschulen) verbindet, stellt die Voronoi-Grenze dar, die alle Gebiete (Schulbezirke) gleichmäßig teilt. In der vorliegenden Studie fand das Forschungsteam heraus, dass nicht nur sechseckige Kacheln vom Wildtyp, sondern auch quadratische Kacheln von Mutanten durch Voronoi-Tessellation genau reproduziert werden. Obwohl es unvernünftig ist anzunehmen, dass die geometrische Methode des Zeichnens einer Mittelsenkrechten in lebenden Organismen durchgeführt wird, wird dieselbe Voronoi-Grenze gebildet, wenn jeder Mutterpunkt konzentrisch wächst und mit einem anderen kollidiert, wodurch das Wachstum gestoppt wird (Abb. 2). Das Team führte Experimente und Computersimulationen durch, um zu beweisen, dass die Zellen, aus denen das einzelne Auge besteht, denselben Effekt wie konzentrisches Wachstum erzeugen, indem sie sich wie ein Ballon aufblasen.

In dieser Studie hat das Team gezeigt, dass das Fliesenmuster durch die Anordnung der einzelnen Augen und deren konzentrisches Wachstum bestimmt wird, dass die einzelnen Augen ein sechseckiges Fliesenmuster zeigen, wenn sie in vertikaler und horizontaler Richtung gleichmäßig verteilt sind, und dass die Das Muster ändert sich in einen quadratischen Typ, wenn sich das Facettenauge in vertikaler Richtung ausdehnt und der Abstand zwischen den einzelnen Augen in vertikaler Richtung größer wird (Abb. 1). Es war bekannt, dass die Morphologie von Zellen und Geweben durch die Funktion von Genen und physikalischen Einschränkungen gesteuert wird. Diese Studie zeigt, dass es auch einen geometrischen Partitionierungsmechanismus gibt und dass diese Funktionen koordiniert sind, um ein zusammengesetztes Augenkachelmuster zu steuern.

In der Entwicklungsbiologie, synthetischen Biologie, regenerativen Medizin usw. ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die die Morphologie von Zellen und Geweben steuern. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass geometrische Muster, die auf dem Wachstum konzentrischer Kreise basieren, eine wichtige Rolle bei der Musterbildung in lebenden Organismen spielen. Da ähnliche Fliesenmuster auch in den Säulenstrukturen des Gehirns, den Leberläppchen der Leber und dem Gehörepithel des Innenohrs gefunden werden, können ähnliche Mechanismen auch in einer Vielzahl von Geweben eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus werden die optischen Eigenschaften des visuellen Systems lebender Organismen in neuen Technologien wie beispielsweise künstlichen Facettenaugen genutzt. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Studie in den kommenden Jahren auf biotechnologische Forschungen wie künstliche Gewebe und Organe angewendet werden.