Параллельное сравнение компьютерной симуляции (слева) и эмбриона живого цыпленка, демонстрирующего желаемый круглый кратковременный аттрактор. Фото: Калифорнийский университет в Сан-Диего.
По мере того как эмбрионы растут от зачатия до рождения, клетки быстро размножаются и перемещаются высокоорганизованным образом, образуя скелет, органы и другие важные системы. Но как клетки узнают, что нужно двигаться в правильном направлении и в нужное время, чтобы создать полностью сформированный, сложный живой организм? Это очень сложный вопрос для ученых.
Чтобы помочь найти ответ, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Маттиа Серра и его коллеги из Миланского политехнического университета (Италия) разработали новый метод, который позволяет манипулировать движением эмбриональных клеток с помощью кратковременных аттракторов — концепция, которую Серра ранее разработал разработан и принят на вооружение для помощи поисково-спасательным операциям на море.
Их работы появляются в Письма о физических отзывах.
Кратковременные аттракторы — это структуры, которые влияют на динамику и движение системы в течение ограниченного времени, но не определяют долгосрочное поведение. Модулируя пространственное распределение миозина — молекулярного мотора, который управляет движением клеток — исследователи смогли контролировать расположение этих аттракторов, направляя скопление клеток в целевые области эмбриона.
Хотя миозин управляет движением клеток внутри эмбриона, существуют также внешние силы или возмущения, которые также толкают и тянут эмбрион. Эти нарушения скорее навязываются эмбриону, чем контролируются им.
Это нежный танец. Эмбрион должен оптимально распределять миозин, чтобы клетки двигались к аттракторам, необходимым для развития, одновременно борясь с навязанными нарушениями.
Используя теорию и моделирование, исследователи смогли разработать оптимальную стратегию управления для создания и управления кратковременными аттракторами в потоках, аналогичных тем, которые наблюдаются при развитии эмбрионов.
Чтобы подтвердить свою теорию, сотрудники группы Вейера из Университета Данди (Шотландия) манипулировали распределением миозина в курином эмбрионе. В норме у эмбриона формируется кратковременный аттрактор в виде линии — именно здесь формируется основная ось тела. Предсказания Серры предполагали, что при определенном распределении миозина они смогут создать кратковременный аттрактор в форме кольца. Группе Вейера удалось реализовать предложенное распределение миозина в живом эмбрионе и разработать круговой аттрактор, а не линейный.
Этот новый метод управления клеточными потоками может быть использован при создании синтетических органов и органоидов, а также может помочь в регенеративной медицине.
«Многоклеточные потоки сложны, и их изучение может быть непосильным. Аттракторы и репеллеры сжимают эту сложность в ее основные единицы, которыми можно управлять и использовать для раскрытия основных принципов, управляющих многоклеточными потоками», — заявил Серра.
Предоставлено Калифорнийским университетом в Сан-Диего.