Подобно всем сложным организмам, каждый человек происходит из одной клетки, которая размножается путём многочисленных делений. Тысячи клеток координируют свои действия, перемещаются и оказывают механические воздействия друг на друга, формируя эмбрион.
Исследователи из Института динамики биологических сетей (CIDBN) при Гёттингенском кампусе, Института динамики и самоорганизации Макса Планка и Университета Марбурга обнаружили новый способ координации поведения эмбриональных клеток. В этом процессе задействованы молекулярные механизмы, ранее известные только в процессе слуха.
Учёные объясняют использование одних и тех же белков для разных функций общим эволюционным происхождением клеток. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.
Междисциплинарная исследовательская группа использовала необычное сочетание методов из области генетики развития, исследований мозга, слуховедения и теоретической физики, чтобы совершить удивительное открытие в области клеточной коммуникации. Они обнаружили, что в тонких слоях кожи клетки регистрируют движения соседних клеток и синхронизируют свои собственные микроскопические движения с движениями других.
Группы соседних клеток таким образом объединяются с большей силой. Благодаря своей высокой чувствительности, клетки очень быстро и гибко координируют свои действия, поскольку эти тонкие силы являются самыми быстрыми сигналами, распространяющимися по эмбриональной ткани. Когда клетки были генетически лишены способности «слушать» друг друга, вся ткань менялась, и развитие задерживалось или вовсе прекращалось.
Исследователи интегрировали клеточную координацию в компьютерные модели ткани. Эти модели показали, что «перешёптывания» между соседними клетками приводят к сложной хореографии всей ткани и защищают её от внешних сил. Оба эффекта были подтверждены видеозаписями эмбрионального развития и дальнейшими экспериментами.
«Используя методы искусственного интеллекта и компьютерный анализ, мы смогли изучить примерно в сто раз больше пар клеток, чем было возможно ранее в этой области», — объясняет доктор Маттиас Хёринг, руководитель группы в CIDBN и соавтор исследования. «Такой подход к большим данным обеспечивает нашим результатам высокий уровень точности, необходимый для надёжного понимания этих тонких взаимодействий между клетками».
Механизмы, выявленные здесь в эмбриональном развитии, уже были известны своей ролью в процессе слуха. Например, когда слышны очень тихие звуки, волосковые клетки в ухе, которые преобразуют звуковые волны в нервные сигналы, реагируют на крошечные механические движения.
У порога слышимости выступы клеток изгибаются на расстояния, равные всего нескольким атомным диаметрам. Ухо настолько чувствительно из-за специальных белков, которые преобразуют механические силы в электрические токи.
До сих пор почти никто не подозревал, что такие датчики силы также играют важную роль в эмбриональном развитии. В принципе, это возможно, потому что каждая клетка в организме несёт генетические схемы для всех белков и может использовать их по мере необходимости.
Это явление также может дать представление о том, как эволюционировалось восприятие силы на клеточном уровне. «Эволюционное происхождение этих чувствительных к силе ионных канальных белков, вероятно, лежит у наших одноклеточных предков, которых мы разделяем с грибами и которые появились задолго до возникновения животной жизни», — объясняет профессор Фред Вольф, директор CIDBN и соавтор исследования. «Но только с эволюцией первых животных возникло нынешнее разнообразие этого типа белков».
Будущая работа должна определить, была ли первоначальной функцией этих клеточных «наномашин» способность воспринимать силы внутри тела, а не, как при слухе, воспринимать внешний мир.
Предоставлено Университетом Гёттингена.