Лицо лягушки: видеозапись в режиме таймлапс показывает никогда ранее не виданный биоэлектрический паттерн

Впервые биологи из Университета Тафтса сообщили, что биоэлектрические сигналы необходимы для нормального формирования головы и лица у организма, и запечатлели этот процесс на видео в режиме таймлапс. Видео показывает никогда ранее не виданные паттерны видимых биоэлектрических сигналов, которые очерчивают, где появятся глаза, нос, рот и другие черты у эмбриона головастика.

Исследователи обнаружили, что до развития лица у головастика биоэлектрические сигналы (поток ионов) заставляют группы клеток формировать паттерны, отмеченные разными уровнями мембранного напряжения и pH. При окрашивании репортёрным красителем гиперполяризованные (отрицательно заряженные) области ярко светятся, создавая «электрическое лицо».

«Когда эмбрион лягушки только развивается, до того, как у него появляется лицо, паттерн для этого лица загорается на поверхности эмбриона», — сказала старший автор Дэни С. Адамс, Ph.D.

Научная серендипити

Открытие стало случаем научной серендипити. Адамс оставила камеру на ночь для съёмки таймлапса ранних стадий развития головастиков. К утру изображения оказались чёткими и показали три стадии биоэлектрической активности:

1. Волна гиперполяризации (отрицательных ионов) промелькнула по всему эмбриону, совпав с появлением ресничек, позволяющих эмбрионам двигаться.
2. Появились паттерны, соответствующие надвигающимся изменениям формы и доменам экспрессии генов развивающегося лица. Яркая гиперполяризация отмечала впячивание поверхности.
3. Сформировались локализованные области гиперполяризации, которые расширялись и исчезали, не нарушая паттернов второй стадии. В это же время сферический эмбрион начал вытягиваться.

Команда обнаружила, что нарушение биоэлектрической сигнализации путём ингибирования белка дуктина коррелировало с черепно-лицевыми аномалиями. У некоторых эмбрионов выросло два мозга вместо одного; у других были утолщённые зрительные нервы или отсутствовало нормальное развитие носа или челюсти. Прерывание потока ионов также изменяло биоэлектрические паттерны на поверхности эмбрионов и экспрессию важных для формирования лица mRNA.

«Наше исследование показывает, что электрическое состояние клетки фундаментально для развития. Биоэлектрическая сигнализация, по-видимому, регулирует последовательность событий, а не только одно», — сказала первый автор статьи Лора Н. Ванденберг, Ph.D.

Исследователи отмечают, что необходимы дальнейшие изыскания, чтобы выяснить, работает ли биоэлектрическая сигнализация у лягушек так же, как у других животных, включая людей, и существует ли «электрическое лицо» в человеческом развитии. Однако они считают, что изучение такой сигнализации имеет большой потенциал.

«Изучение биоэлектрической сигнализации привело нас к иному, более широкому способу мышления о таких заболеваниях, как рак, врождённые дефекты и регенерация тканей», — отмечает Адамс.