Unordnung verleiht der Embryonalentwicklung einer winzigen Garnele Robustheit

Betrachten Sie das Krebstier Parhyale hawaiensis, ein winziges Krebstier mit einigen interessanten Eigenschaften.

„Es wurde als ‚lebendes Schweizer Taschenmesser‘ bezeichnet“, sagte Dillon Cislo, der Hauptautor einer Studie, die in erscheint Naturphysik. „Es hat zahlreiche verschiedene Anhängsel und jedes einzelne ist durch seine Größe und Form eindeutig spezifizierbar. Darüber hinaus hat jedes dieser Gliedmaßen eine ganz bestimmte Funktion.“

Ihr faszinierender Körper und die zugänglichen Wachstumsbedingungen machen diese Lebewesen zu einem idealen Modellorganismus für Entwicklungsstudien. Aber darüber hinaus sind ihre Embryonen laut den Cislo- und UC Santa Barbara-Forschern Mark Bowick und Sebastian Streichan ein Fenster in die Welt der Gewebemorphogenese, ein Bereich, der verstehen will, wie eine Masse embryonaler Zellen zu den komplexen Körperteilen eines Menschen wird erwachsener Organismus.

Als „direkter Entwickler“ oder als Organismus, der seine adulte Form – wenn auch im Miniaturformat – aufbaut, anstatt eine ausgeprägte Larvenform zu haben und eine Metamorphose zu durchlaufen, ist dieses Krebstier etwas, das man im Auge behalten sollte.

„Von diesem Satz zufällig geordneter Zellen gelangt man zu all diesen verrückten, hochartikulierten Anhängseln in der Erwachsenenstruktur“, sagte Cislo, ein Postdoktorand an der Rockefeller University, der als Doktorand an der UCSB unter der Leitung von Dr unter Anleitung der theoretischen Physiker Bowick, Boris Schraiman sowie Streichan, der sich auf die Physik lebender Materie spezialisiert hat.

Bis vor Kurzem umfassten die meisten Beobachtungen der Embryogenese die Entnahme mehrerer Embryonen eines Modellorganismus – etwa einer Fruchtfliege – in unterschiedlichen Entwicklungsstadien und deren „Fixierung“, um sie rechtzeitig einzufrieren. Von dort aus können Wissenschaftler Berechnungen und Rückschlüsse auf die Abfolge der Ereignisse anstellen, die in die Entwicklung ihres Körpers einfließen. Weniger leicht zu beobachten war jedoch, wie die jungen Zellen überhaupt ihren Platz und ihre Position finden.

Herauszufinden, wie alles zusammenwirkt, ist ein heißes Thema in der Biologie. Aber es fällt auch in den Bereich der Physik der aktiven Materie, einem Bereich, der sich für das kollektive Verhalten von Systemen aus mehreren unabhängigen „Agenten“ interessiert, die lokal Energie verbrauchen. Beispiele für aktive Materie sind vielfältig, vom Murmeln von Staren über Bakterienkolonien bis hin zu Menschenansammlungen. Aktive Materie kann auch nichtbiologische Situationen umfassen, in denen Einheitenkomponenten aus dem Gleichgewicht geraten, wie beispielsweise Roboterschwärme.

Ordnung aus Unordnung

Wenn sich embryonale Zellen teilen, tun sie dies in entgegengesetzter Richtung entlang einer Achse, und dann teilen sich diese Tochterzellen in entgegengesetzter Richtung entlang ihrer Achse und so weiter, obwohl es keinen Grund gibt, warum die Teilungsachse einer Tochter von der Teilungsachse abhängen muss des Elternteils. Das scheint die Sache für Gewebe, deren Strukturen und Funktionen von der Organisation und Ausrichtung ihrer Elementarzellen abhängen, komplizierter zu machen.

Um zu sehen, wie die Zellen von P. hawaiensis die Störung bekämpften, die durch ihre Proliferation entstehen könnte, verfolgten die Forscher die Entwicklung eines Embryos drei Tage nach der Befruchtung.

„Es sieht aus wie eine dünne Zellschicht auf einem kugelförmigen Eigelb“, sagte Cislo. Um den Prozess besser beobachten zu können, haben sie diese gekrümmte Gruppe von Zellen rechnerisch zu einer Ebene abgeflacht, „auf eine Weise, die die dreidimensionale Geometrie der tatsächlichen physischen Konfiguration respektiert“, erklärt der Artikel, und diese Zellen verfolgt, während sie sich teilten und bewegten. in der allerersten dynamischen Analyse dieses besonderen Stadiums der frühen Entwicklung von P. hawaiensis.

Zwölf Stunden nach Beginn der Beobachtung hatte sich die wachsende Zellpopulation nicht nur etwas mehr als verdoppelt, sie hatte sich auch zu einem Gitter angeordnet, dessen Reihen den Segmenten des erwachsenen Körpers entsprachen. Von dort aus durchläuft die Monoschicht von Zellen, die ungefähr der Bauchfläche des Krebstiers entspricht, Zellteilungswellen, die von der Mittellinie ausgehen und sich seitlich ausbreiten, wobei sie sich entlang der Achse vom Kopf bis zum Schwanz des Tieres teilen -Sei.

Die Aufteilungen seien nicht zufällig gewesen, sagte Cislo. Das heißt, diese Zellen würden sich nicht einfach nur zu einer größeren Masse scheinbar ungeordneter Zellen entwickeln, sondern sich teilen. Einige Tochterzellen würden sich dann um bis zu 90 Grad neu ausrichten, bevor sie sich erneut teilen, um ihre Ausrichtung an der Kopf-Schwanz-Achse beizubehalten.

„Während es seine Teilungschoreografie durchläuft, sieht man, wie neue Reihen zwischen den Reihen eingefügt werden und die Reihen darüber und darunter auseinandergeschoben werden“, sagte er. „Und das ist sehr wild, denn in einem nicht lebenden physischen System ist dies eine sehr energetisch teure Operation.“

Bei Metallen und Kristallen müsste dieser Reorganisationsmechanismus das Material auf Tausende von Grad erhitzen, um möglich zu werden, sagte Cislo, „aber hier tun die Garnelen es bei Raumtemperatur.“ Nach bestem Wissen der Forscher hat die allgemeine Achse der Zellteilung höchstwahrscheinlich mit einem biologischen Signal zu tun, das noch nicht entdeckt wurde.

Obwohl fragil und in manchen Fällen energetisch teuer, ist die vierfache Orientierung in frühen Stadien der Krebstierentwicklung nach Ansicht der Forscher von entscheidender Bedeutung.

„Es gibt einige Ideen, wie diese Ergebnisse zu interpretieren sind“, sagte Streichan. „Der grundlegende Gedankengang betrifft die Ausrichtung der Gliedmaßen von Tieren. Wie unsere Hände oder Beine haben diese Gliedmaßen eine klare Ausrichtung … und da der Körper aus mehreren solchen Gliedmaßen besteht, erfordert eine ordnungsgemäße Körperfunktion eine Koordination der Ausrichtung dieser Gliedmaßen.

„Stellen Sie sich vor, Ihre linke Hand wäre im Verhältnis zu Ihrer rechten Hand gedreht, sagen wir, um 180 Grad, wobei Sie Ihren Handrücken und Ihre Handfläche vertauschen“, fügte er hinzu. „Tägliche Aufgaben würden ziemlich herausfordernd werden.“

Die Dinge aufrütteln

Es sei wichtig, sich daran zu erinnern, dass diese Organisation in einem strukturierten, flüssigen Zustand existiert – nicht ganz flüssig und nicht ganz fest, sagte Bowick. „Aus physikalischer Sicht hat die Phase die gleiche Form wie ein Suprafluid“, erklärte er.

Es stellt sich heraus, dass trotz aller Ordnung, die durch die gitterartige Organisation der Zellen erzeugt wird, das Potenzial für Unordnung, das durch den flüssigen Zustand und die Zellteilungen entsteht, entscheidend für die Flexibilität ist, die ein biologisches System benötigt, fügte Bowick hinzu. „Die Zellen teilen sich nicht nur, sie üben dabei offensichtlich Kräfte aufeinander aus“, sagte er.

Die Forscher fanden heraus, dass die Zellen, von denen jede über einen eigenen kleinen Motor und eine eigene „Uhr“ für die autonome Teilung verfügt, während des frühen Zellproliferationsstadiums und in einem darauffolgenden Stadium, in dem sich die Zellen fortsetzten, ein gewisses Maß an „Rauschen“ – Variationen und Fluktuationen – erzeugten teilte sich, aber auch das Gewebe selbst dehnte sich aus.

Dieses Geräusch mag zunächst kontraproduktiv für die Bildung eines komplexen Körpers mit so vielen verschiedenen Anhängseln erscheinen, doch laut den Forschern ist das Geräusch selbst für einen robusten Prozess notwendig. Mit seiner vierfachen Ausrichtung besetzt das System eine „Goldlöckchen-Zone“ zwischen Ordnung und Unordnung: genug Ordnung, um mit dem Aufbau der Kreatur zu beginnen, aber dennoch offen genug, um leichte Unstimmigkeiten im Prozess zu absorbieren.

Durch eine Reihe von Simulationen stellten sie fest, dass es trotz Schwankungen im Timing oder in der Konzentration der Teilungen (bis zu einem gewissen Grad) oder dem Vorhandensein von Zellen, die sich während der Proliferation nicht neu orientierten, immer noch möglich war, letztendlich zum Gleichen zu gelangen Endresultat.

„Die Schlussfolgerung ist, dass die Biologie die Dinge nicht wirklich besonders streng kontrollieren muss, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen“, sagte Cislo – eine Erkenntnis, die nur eine dynamische Analyse hervorbringen konnte.

Bowick stimmt zu. „Stellen Sie sich vor, Sie möchten, dass ein System einen geordneten Zustand erreicht. Wenn Sie völlig statisch sind, würden Sie es nie finden“, sagte er. „Aber wenn man das System aufrüttelt, kann man ihm vielleicht erlauben, sich endlich in einen schönen geordneten Zustand zu versetzen. Und was hier vor sich zu gehen scheint, ist, dass die Zellteilungen das System durcheinander bringen und es ihm schließlich ermöglichen, sich in einen subtilen geordneten Zustand zu versetzen Zustand.“

Diese Studie bietet einen faszinierenden Einblick in einen selten gesehenen Aspekt der Entwicklungsbiologie, der nach einem geometrischen Organisationsprinzip funktioniert, das sich in seiner vierfachen Ausrichtung zeigt.

„Die Fruchtfliege, das Wasserstoffatom der Entwicklungsbiologie, organisiert die Segmente ihres Körperbauplans über eine Kaskade biochemischer Signale“, erklärte Cislo. „Das ist etwas ganz anderes.“

„Das Coole an Dillons Arbeit ist, dass die Orientierungsreihenfolge auf der Ebene der Zellposition liegt und einen mechanisch beobachtbaren geordneten Zustand markiert“, sagte Streichan. Im Gegensatz zur Entwicklung anderer Tiere, deren embryonale Zellen zur Orientierung auf chemische Signale angewiesen sind, ist die Gittermusterung bei P. hawaiensis ein mechanischer Vorgang, der sich über zwei Regionen erstreckt – eine in der Nähe und eine weiter vom Kopf entfernt, sodass beide Regionen übereinstimmen können über die Positionen ihrer Zellen. Das Gitter garantiert auch die Lage und Ausrichtung der Zellen, die zu den Gliedmaßen werden, noch bevor sie sich entwickeln.

„In vielerlei Hinsicht ist Dillons Projekt ein weiteres Beispiel dafür, dass die Biologie Wege findet, die Physik für ihre Zwecke zu nutzen“, sagte Streichan.

„Es könnte auch Unterricht für Materialwissenschaften geben“, fügte Bowick hinzu. „Wenn Sie interessante Materialien bauen möchten, möchten Sie vielleicht Lehren aus der Biologie ziehen und einige dieser Materialsysteme aus dem Gleichgewicht bringen und auf diese Weise wunderbare Strukturen schaffen.“