Математическая модель связывает эволюцию цыплят, рыб и лягушек

Один из фундаментальных вопросов биологии — как из клеток формируются сложные структуры: кожа, мышцы, кости, мозг, позвоночник? Часть ответа может лежать в понимании гаструляции — стадии, когда клетки эмбриона из одного слоя образуют многомерную структуру с главной осью тела. У человека это происходит примерно на 14-й день после зачатия.

Поскольку изучать человеческие эмбрионы на этой стадии невозможно, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета Данди (Великобритания) и Гарварда обратились к эмбрионам цыплят, которые имеют много общего с человеческими на этом этапе.

Работа велась в рамках "идеального цикла": междисциплинарного сочетания теоретической и экспериментальной науки. Теоретики под руководством доцента физики Маттиа Серра построили математическую модель на основе данных биологов. Модель точно предсказала наблюдаемые под микроскопом потоки гаструляции — движение десятков тысяч клеток во всем эмбрионе цыпленка. Это первый случай, когда самоорганизующаяся математическая модель смогла воспроизвести эти потоки.

Затем биологи решили проверить, может ли модель не только повторять известные данные, но и предсказывать развитие в измененных условиях. Команда Серра "возмутила" модель, изменив начальные условия или параметры.

Результат оказался неожиданным: модель сгенерировала клеточные потоки, которые не наблюдаются естественным образом у цыпленка, но характерны для двух других видов позвоночных — лягушки и рыбы.

Чтобы убедиться, что это не математическая фантазия, биологи воспроизвели в лаборатории те же возмущения на эмбрионах цыплят. Поразительно, но у этих модифицированных эмбрионов проявились потоки гаструляции, естественные для рыб и лягушек.

Эти результаты, опубликованные в Science Advances, позволяют предположить, что одинаковые физические принципы многоклеточной самоорганизации могли эволюционировать у разных видов позвоночных.

"Рыбы, лягушки и цыплята живут в разных условиях, поэтому со временем эволюционное давление могло изменить параметры и начальные условия развития эмбриона, — пояснил Серра. — Но некоторые фундаментальные принципы самоорганизации, по крайней мере на этой ранней стадии гаструляции, могут быть одинаковыми для всех трех видов".

Сейчас Серра и его коллеги изучают другие механизмы, лежащие в основе самоорганизации эмбрионов. Они надеются, что это исследование сможет продвинуть дизайн биоматериалов и регенеративную медицину, чтобы помочь людям жить дольше и здоровее.