Синтетическая биология воссоздает процесс развития
Физик Ричард Фейнман утверждал: «То, что я не могу создать, я не понимаю». Многие ученые стремились выявить минимальные компоненты, необходимые для возникновения фундаментальных биологических процессов. В 1952 году математик Алан Тьюринг показал, как из однородной ткани может развиться сложный эмбрион, используя простую и элегантную математическую модель. Одним из её результатов является нарушение симметрии в клетке или ткани при определенных условиях. Однако проверить эти идеи экспериментально удалось лишь спустя более 70 лет благодаря достижениям в области генной инженерии.
Исследователи из Института эволюционной биологии (IBE) разработали новую модель и с помощью методов синтетической биологии воспроизвели нарушение симметрии, наблюдаемое в эмбрионах, используя минимально возможный набор компонентов.
Ученые внедрили в бактерию E. coli гены других видов, создав механизм генерации пространственных паттернов, характерных для более сложных организмов, таких как плодовая мушка (Drosophila melanogaster) или человек. Модифицированные штаммы E. coli, которые обычно растут в виде симметричных кругов, стали формировать структуры, похожие на цветок с лепестками на равных интервалах, что и предсказывала модель Тьюринга.
«Мы хотели создать нарушение симметрии, которое никогда не наблюдается в колониях E. coli, но встречается у животных, и выяснить, какие компоненты для этого необходимы», — говорит Сальва Дуран-Небреда, ведущий автор исследования.
С помощью новой синтетической платформы команда определила параметры, управляющие возникновением пространственных паттернов в E. coli:
Изменение деления клеток
Адгезия (слипание) между клетками
Система «чувства кворума» (дальняя коммуникация для принятия коллективных решений)
Модуляция этих трех факторов позволяет индуцировать нарушение симметрии.
Полученные результаты могут быть применены к более сложным животным моделям или принципам проектирования колоний насекомых. Эта синтетическая система открывает путь к пониманию универсального явления эмбрионального развития в гораздо более простой in vitro системе, аналогично тому, как органоиды помогают в разработке терапий без привлечения животных моделей.
Разработанная модель, первая в своем роде, может стать ключом к пониманию событий эмбриогенеза и, находясь на стыке механических и биологических процессов, помочь в изучении нарушений развития.