Эмбрионы принимают форму благодаря изгибу
Эмбрион животного сначала выглядит как полая сфера. Затем на разных стадиях развития появляются инвагинации (впячивания), которые дадут начало структурам тела (мозгу, пищеварительному тракту и т.д.). Согласно гипотезе, которой более века, изгиб (buckling) может быть доминирующим механизмом, запускающим инвагинацию. Изгиб — это термин, описывающий боковую деформацию материала под сжатием. Хотя это объяснение давно поддерживается биологами, оно никогда не подвергалось формальному доказательству, в основном из-за сложности измерения крошечных задействованных сил.
Этот пробел был восполнен благодаря исследованию междисциплинарной команды учёных из Женевского университета (UNIGE). Этот успех, опубликованный в журнале Developmental Cell, стал возможен благодаря долгому сотрудничеству специалистов по биологическому экспериментированию, аналитической теоретической физике и компьютерному моделированию.
Проверка гипотезы
Основной механизм, известный ранее — апикальное сужение (координированная деформация самих клеток) — недостаточно мощный, чтобы объяснить появление крупных инвагинаций на стадии бластоцисты. Гипотеза об изгибе предполагает, что боковая сила возникает от клеток, которые, размножаясь, оказывают возрастающее давление на поверхность. Эта поверхность ограничена эластичной вителлиновой оболочкой, что предотвращает пространственное расширение.
Трёхсторонний подход
Для количественного доказательства явления учёные провели долгосрочное исследование, объединив три метода:
Биологический эксперимент (in vitro): Исследователи создали искусственные маленькие оболочки со свойствами натуральной вителлиновой и вырастили на их внутренней поверхности монослой из сотни клеток. Эти модели (менее 0.5 мм в диаметре) позволили воссоздать инвагинацию и изучить её под микроскопом, определив задействованные силы по вариациям толщины оболочки.
Аналитическая теоретическая физика: Используя измерения, учёные показали, что взаимосвязь между силой и формой искусственных эмбрионов соответствует ожидаемой для изгиба. С помощью уравнений физики материалов они извлекли макроскопические механические параметры клеточных тканей, такие как их жёсткость.
Компьютерное моделирование: Эмбрион был смоделирован как набор независимых клеток. Этот подход позволил наблюдать в деталях временную эволюцию изгиба и понять, как биологические процессы на клеточном уровне (пролиферация, сократимость) изменяют механические параметры ткани.
Результат
Потребовалось шесть лет кропотливой работы и постоянного согласования между тремя командами, чтобы определить правильные значения многочисленных параметров и добиться согласованного результата.
Количественная оценка изгиба показала, что это потенциальный механизм, объясняющий формирование инвагинаций в эмбрионах. Вероятно, другие механизмы (например, апикальное сужение) инициируют складывание, а изгиб усиливает его, приводя к конечному результату.