Тканевое оригами: использование света для изучения и контроля складывания тканей

от

Сложные трёхмерные формы мозга, лёгких, глаз, рук и других жизненно важных структур организма возникают в результате того, как плоские двумерные листы клеток складываются во время эмбрионального развития. Теперь исследователи из Колумбийского инженерного колледжа разработали новый способ использования света для воздействия на собственные белки животного с целью контроля складывания в живых эмбрионах.

Эти [новые открытия](https://www.nature.com/articles/s41467-025-62483-6), подробно описанные в Nature Communications, могут однажды привести к множеству применений в биороботике и [медицинских исследованиях](https://phys.org/tags/medical+research/).

«Возможность точно контролировать форму складок в тканевых листах — это основополагающий шаг к „тканевому оригами“, который можно использовать для изучения трёхмерной биологии тканей вне развивающихся эмбрионов или для создания и управления движением крошечных машин или роботов, сделанных из живых биологических клеток», — сказала Карен Касза, доцент кафедры машиностроения в Колумбийском инженерном колледже и старший автор исследования.

Одним из основных способов формирования органов у развивающихся эмбрионов является бороздование — то есть образование карманов в тканях, которые со временем становятся местами складок. «Как плоский лист бумаги можно сложить в журавля, так и плоскую эмбриональную ткань можно сложить в предшественник органа», — сказал Эндрю Кантримен, докторант в области биомедицинской инженерии в Колумбийском университете и первый автор исследования.

Предыдущие исследования разработали множество инструментов для манипулирования белками и другими молекулами, которые определяют поведение клеток. Однако учёным не хватало подобных методов для систематического контроля механических сил, которые в конечном итоге формируют эмбрионы.

В новом исследовании Касза, Кантримен и их коллеги экспериментировали с плодовой мушкой, обычным лабораторным животным. «Поскольку процессы и механизмы развития высококонсервативны у всех животных, эти результаты, полученные на [плодовых мушках](https://phys.org/tags/fruit+flies/), дают представление о развитии всех животных, включая человека», — сказал Кантримен.

Исследователи поработали с белками, которые клетки используют для генерации механических сил, сделав эти молекулы чувствительными к свету. Направляя на эмбрионы плодовых мушек, генетически модифицированных для производства этих белков, определённые длины световых волн, они могли контролировать модели сил во время их развития.

В новом исследовании использовалась система редактирования генов CRISPR-Cas9 для добавления светочувствительного модуля к генам, которые естественным образом существуют у плодовых мушек. Полученные молекулы — первые инструменты, позволяющие учёным использовать свет для управления собственными генами животного, чтобы направлять механические силы в живых эмбрионах.

Они также являются первыми инструментами, которые позволяют учёным использовать свет для управления силами, генерируемыми клетками, регулируемым образом, а не просто включать и выключать такие силы, сказал Кантримен.

Исследователи специально модифицировали белки, которые помогают клеткам сокращаться, — один из методов, с помощью которого ткани могут генерировать борозды. Полученные инструменты, называемые эндогенными OptoRhoGEFs, помогли учёным обнаружить, что глубина борозды зависит от количества этих белков, связанных с сокращением, которые попадают в мембрану клетки. Они также обнаружили, что жёсткие слои белков внутри эмбрионов могут существенно влиять на то, как ткани бороздуются.

«Подобно эмбрионам мух, человеческие эмбрионы активно используют процессы бороздования во время развития», — сказал Кантримен. «Неспособность тканей бороздоваться должным образом связана с распространёнными и разрушительными врождёнными нарушениями, такими как расщелина позвоночника. Улучшенное понимание процессов развития поможет выявить и лечить эти состояния».

Эта новая техника однажды может помочь учёным лучше анализировать развитие тканей и органов и болезни, используя свет для складывания основных листов клеток в сложные трёхмерные структуры в лаборатории, а не в более сложных условиях внутри живых животных, сказал Кантримен.

Кроме того, «маленькие, управляемые машины на основе клеток имеют многообещающее применение в медицине, где они могут служить биосовместимыми зондами во время медицинских процедур», — добавил он. «Их также можно использовать в качестве небольших водных дистанционно управляемых транспортных средств для исследования и изучения новых сред».

В будущем исследователи надеются использовать свою новую стратегию для изучения других способов бороздования тканей, а также поведения тканей, отличного от бороздования, такого как изгиб, растяжение и течение.

«Эти основные способы деформации тканей используются в различных комбинациях и последовательностях для создания широкого спектра тканей, органов и форм тела», — сказал Кантримен.

Предоставлено [Колумбийским университетом, Школа инженерных и прикладных наук](https://phys.org/partners/columbia-university-school-of-engineering-and-applied-science/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте