Первая в своём роде визуализация в реальном времени привела к крупному открытию в формировании клеточных паттернов в тканях

Способность клеток самоорганизовываться в специфические паттерны в тканях — универсальная черта жизни. Полосы зебры, ресницы, спираль семян в подсолнухе и лабиринтные узоры змеиной кожи — лишь несколько примеров.

Ещё один хорошо известный и изученный паттерн — фасеточный глаз плодовой мушки (дрозофилы). Этот глаз представляет собой высокоупорядоченную гексагональную решётку из 800 кластеров фоторецепторных клеток.

Исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, что формирование этого паттерна включает механические силы, а не только химические сигналы, передаваемые между клетками.

Используя первую в своём роде визуализацию в реальном времени, учёные увидели, как клетки перемещаются на свои позиции в процессе развития глаза; клетки не статичны, как считалось ранее. Это открытие даёт принципы, которые должны распространяться и на другие паттерн-формирующие системы.

"В этом исследовании мы пытаемся понять, как один паттерн — паттерн большой красоты — формируется в теле. К нашему удивлению, мы обнаружили, что клетки выталкиваются и втягиваются на позиции по определённым правилам, как в шахматной партии", — сказал Ричард Картью, профессор молекулярных бионаук.

Исследование будет опубликовано 22 февраля в журнале eLife.

Картью и Мадхав Мани, доцент инженерных и прикладных математических наук, являются соавторами статьи. Кевин Галлахер, аспирант и член лаборатории Картью, — первый автор.

"Эта работа помогает нам лучше понять, как жизнь строит себя сама. Мы изучаем глаз дрозофилы, потому что это модельная система. Мы подошли к этому исследованию с открытым умом и узнали что-то новое о самоорганизации", — сказал Мани.

"С помощью наших собственных инструментов мы смогли увидеть то, чего раньше никто не видел — динамическую картину развития глаза. То, что клетки перемещались, стало полной неожиданностью. Это довольно безумно", — сказал Галлахер.

Мультидисциплинарная команда использовала передовые методы, разработанные Галлахером, для визуализации в реальном времени и анализа динамики самоорганизации глаза. Исследователи выявили новые механические динамики, которые вместе с генетическими и биохимическими молекулами управляют этим замечательным процессом биоинженерии.

Они также продемонстрировали, что без правильных механических сил глаз не самоорганизуется должным образом.

Помимо визуализации в реальном времени (глаз сохраняли живым вне тела мушки), успех исследования зависел от вычислительного инструмента, созданного Галлахером для идентификации и отслеживания каждой отдельной клетки. Это позволило исследователям увидеть, куда движется каждая клетка в течение 10 часов.

В узкой зоне, называемой фронтом паттерна, наблюдается каскад клеток: клетки выталкиваются, затем останавливаются и выталкивают другие клетки в правильное положение, в результате чего возникает знакомая гексагональная решётка.

"Учёные пытались визуализировать развивающийся глаз в течение 50 лет. Понять, что происходит, можно, только наблюдая за фильмом в реальном времени. Кевин — первый человек, добившийся этого", — сказал Картью.

Результаты исследования могут быть использованы в биоинженерии для создания синтетических зрительных сенсоров, а также для лучшего понимания того, как паттерны формируются в природе.

"Если мы когда-нибудь надеемся достичь точки, когда сможем заниматься 'настоящей' биоинженерией, как мы инженерно работаем с инертным веществом, то понимание связи между механическими и химическими принципами, находящимися в игре, является обязательным", — сказал Мани.