Исследователи используют геометрию и динамику для понимания организации тканей

Эмбриогенез — процесс развития организма из одной клетки — остаётся одним из самых загадочных и сложных явлений в природе. Крупномасштабные, скоординированные и коллективные движения клеток в ткани напоминают сложные и хаотические потоки жидкостей в океане или атмосфере. Но как эти движения определяют, какие клетки станут частью мозга, кишечника или конечности? Если бы мы могли предсказать судьбу клеток, мы смогли бы выявлять патологии на самых ранних стадиях развития.

Учёные из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) применили методы гидродинамики и теории хаоса к эмбриогенезу. С их помощью они разработали математический подход для количественной оценки судьбы и динамической организации клеток в ткани на основе данных визуализации.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Понимание того, как геометрия возникает из генетики, то есть как тело строит себя, используя молекулярные сигналы, — один из главных вопросов биологии", — говорит Л. Махадеван, старший автор статьи. "Распознав сходство между движениями клеток, формирующих ткани, и сложными потоками жидкостей, мы разработали математическую основу для выявления динамических организующих структур, связанных с морфогенезом".

"Это исследование улучшает наше понимание эмбриогенеза, потому что вместо классического биологического подхода мы использовали теоретические инструменты, которые ранее не применялись в этой области", — отмечает Маттиа Серра, первый автор работы. "Используя лишь теорию хаоса и экспериментальные траектории клеток, мы можем зафиксировать ранние признаки известных морфогенетических структур, выявить новые и количественно различать разные фенотипы".

Серра и Махадеван хотели выяснить, можно ли предсказать результат морфогенеза ткани и развития органов, используя информацию о движении клеток, подобно тому, как можно предсказать местоположение плавающих объектов на поверхности океана по движению жидкости.

"Одна из современных проблем в этой области — огромный объём данных, в котором сложно ориентироваться", — говорит Серра. "Современные микроскопы позволяют наблюдать отдельные клетки, но предсказать результат морфогенеза ткани на основе траекторий отдельных клеток было сложно. Теория хаоса предлагает вместо отслеживания сложной траектории каждой клетки понять организаторы движения. Нужен глобальный, а не локальный взгляд".

Исследователи из Гарварда объединились с двумя экспериментальными группами: одна под руководством Себастьяна Штрайхана (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре) изучает эмбрионы плодовой мушки, другая под руководством Корнелиуса Вейера (Университет Данди) — эмбрионы цыплят.

Команда применила свой математический подход к данным визуализации, собранным этими группами, и создала карту эмбриона в пространстве и времени. Эта карта выявила так называемые пространственные аттракторы и репеллеры — области эмбриона, которые либо притягивают, либо отталкивают клетки. Эти области притяжения и отталкивания появляются в определённое время и в конкретных местах в процессе развития.

Точно определяя время и местоположение аттракторов и репеллеров и связывая их с конкретными морфогенетическими структурами (например, спинным мозгом), исследователи смогли не только наблюдать дифференцировку клеток в реальном времени, но и идентифицировать клетки-предшественники до начала этого процесса.

"Этот подход — инструмент, который подсказывает, где и когда смотреть", — говорит Серра. "Это линза, которая находит "сладкие пятна", где биологи могут увеличить масштаб, чтобы раскрыть лежащие в основе механизмы".

"Наша работа задаёт геометрическую основу для выявления динамических организаторов клеточных движений и формы ткани. В сочетании с возможностью отслеживать и манипулировать уровнями экспрессии генов, механическими силами и т.д., мы сможем определить биофизические механизмы, лежащие в основе нормального и патологического морфогенеза, и приблизиться к ответу на один из главных вопросов биологии", — заключает Махадеван.