Как мухи выращивают свои гироскопы: исследование раскрывает формирование стабилизаторов полета
Команда из Института нейронаук (IN), совместного центра Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и Университета Мигеля Эрнандеса (UMH) в Эльче, раскрыла, как формируется структура, необходимая для полета мух — жужжальце. Этот небольшой орган, расположенный позади основных крыльев, функционирует как биологический гироскоп, помогающий насекомому сохранять устойчивость в воздухе.
Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, возглавил Хосе Карлос Пастор Пареха, руководитель лаборатории архитектуры от клетки к ткани в нервной системе в IN.
Работа показывает, что, вопреки прежним представлениям, жужжальце не является полой структурой. Вместо этого его две поверхности соединены изнутри сложной клеточной системой, стабилизирующей его округлую форму.
«Эта структура — система стабилизации, напоминающая архитектурные опоры: без этих внутренних соединений жужжальце вытягивается и теряет форму, как палатка без растяжек», — объясняет Пастор Пареха.
В процессе метаморфоза (от личинки к взрослой особи) крылья и жужжальца развиваются из тонкого слоя клеток. В случае жужжальца команда обнаружила, что сначала деградирует богатый коллагеном внеклеточный матрикс, разделяющий его две поверхности.
Эта деградация позволяет сформироваться клеточным проекциям, которые соединяют обе поверхности через матрикс, содержащий другой белок — ламинин, формируя таким образом внутренний каркас.
Эти соединения действуют как биологические тросы-растяжки, сопротивляющиеся силам, которые в противном случае деформировали бы орган. Когда эта система выходит из строя, как было видно на генетически модифицированных моделях плодовой мушки (Drosophila melanogaster), созданных командой, жужжальце теряет свою округлую форму, ключевую для его функции.
Исследование также показывает, что жужжальце находится под постоянным натяжением: одна сила тянет его у основания, а другая прикрепляет его к внешней кутикуле насекомого. Именно эта внутренняя система растяжек уравновешивает обе силы, чтобы сохранить геометрию жужжальца.
Для наблюдения за этими эффектами команда использовала передовую электронную микроскопию и методы визуализации в реальном времени во время метаморфоза мухи.
«Мы наблюдали серию клеточных проекций, которые стабилизируют округлую форму жужжальца, противодействуя силам, которые в противном случае деформировали бы его», — говорит Пастор Пареха, добавляя: «Когда мы удалили эту поддерживающую структуру в мутантных моделях, орган потерял свою функциональную геометрию».
Использование мутантных моделей и анализ внеклеточного матрикса были ключом к раскрытию этого механизма, который сочетает деградацию коллагена, клеточную адгезию и внутренние растяжки, укрепляющие структуру изнутри.
Выводы выходят за рамки конкретного случая плодовой мушки, предлагая общее понимание того, как органы приобретают свою форму у животных — фундаментальный вопрос в биологии развития. Кроме того, они могут вдохновить на новые подходы к таким проблемам, как тканевая инженерия или дизайн биомиметических структур.
Исследование проводилось в сотрудничестве с исследователями Юйчжао Сун и Тяньхуэй Сунь из Университета Цинхуа (Китай); Паломой Мартин и Эрнесто Санчесом Эрреро из Центра молекулярной биологии Северо Очоа (CBMSO-CSIC-UAM); и Хорхе Фернандесом Эрреро из Университета Аликанте.