Светящиеся водоросли раскрывают геометрию жизни
Исследователи впервые получили чёткое изображение скрытой архитектуры, которая помогает формировать простой многоклеточный организм, показав, как клетки работают вместе для построения сложных форм жизни.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда британских и немецких учёных раскрыла структуру внеклеточного матрикса (ECM) у зелёных водорослей Volvox carteri, которые часто используются для изучения эволюции многоклеточности.
Внеклеточный матрикс — это каркасный материал, окружающий клетки, обеспечивающий физическую поддержку, влияющий на форму и играющий важную роль в развитии и передаче сигналов. Он также сыграл ключевую роль в переходе от одноклеточной к многоклеточной жизни.
Учёные полагают, что ECM формируется путём самосборки — процесса, который до конца не изучен даже у простейших организмов.
Для исследования учёные из Университета Билефельда генетически модифицировали штамм Volvox, сделав ключевой белок матрикса — феофорин II — флуоресцентным. Это позволило чётко увидеть структуру матрикса под микроскопом.
Они обнаружили сложную пеноподобную сеть из округлых компартментов, которые обволакивали каждую из примерно 2000 соматических (нерепродуктивных) клеток водоросли.
Совместно с математиками из Кембриджского университета команда использовала машинное обучение для количественного анализа геометрии этих компартментов. Данные выявили стохастический (случайно обусловленный) характер роста, имеющий сходство с тем, как расширяется пена при гидратации.
Эти формы следовали статистической закономерности, которая также наблюдается в таких материалах, как зерна и эмульсии, а также в биологических тканях. Результаты показывают, что, хотя отдельные клетки производят белки ECM с неравномерной скоростью, организм в целом сохраняет правильную сферическую форму.
Это сосуществование — между стохастическим поведением на уровне отдельных клеток и точной геометрией на уровне целого организма — ставит новые вопросы о том, как многоклеточная жизнь умудряется строить надёжные формы из ненадёжных частей.
«Наши результаты дают количественную информацию, относящуюся к фундаментальному вопросу в биологии развития: как клетки создают структуры вне себя надёжным и точным образом», — сказал профессор Раймонд Э. Голдштейн из Кембриджа, соавтор исследования. — «Это также показывает захватывающие результаты, которых мы можем достичь, когда биологи, физики и математики работают вместе над пониманием тайн жизни».
«Отслеживая один структурный белок, мы получили представление о принципах, лежащих в основе самоорганизации внеклеточного матрикса», — сказал профессор Армин Халльманн из Университета Билефельда, соавтор исследования. — «Его геометрия даёт нам значимый показатель того, как организм развивается по мере роста».