Μια αόρατη δύναμη ξεκινά τη ζωή

Οι επιστήμονες μελετούν πώς οι δυνάμεις τριβής οδηγούν την εξέλιξη στους θαλάσσιους οργανισμούς.

Όταν ένας αγγειοπλάστης εργάζεται σε έναν περιστρεφόμενο τροχό, η τριβή ανάμεσα στα χέρια του και τον μαλακό πηλό τον βοηθά να τον διαμορφώσει σε κάθε είδους σχήματα και δημιουργίες. Σε ένα συναρπαστικό παράλληλο, τα θαλάσσια ωάρια (ανώριμα ωάρια) εκμεταλλεύονται την τριβή μέσα σε διαφορετικά διαμερίσματα μέσα τους για να υποστούν αναπτυξιακές αλλαγές μετά τη σύλληψη. Μια μελέτη που διεξήχθη από την ομάδα του Heisenberg στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας στην Αυστρία (ISTA), που δημοσιεύτηκε στο Φυσική της φύσηςτώρα περιγράφει πώς λειτουργεί αυτό.

Θαλάσσια squirts προσκολλημένα σε κοραλλιογενείς υφάλους. Ο θαλάσσιος οργανισμός είναι ένα εξαιρετικό μοντέλο για τη μελέτη των διαδικασιών ανάπτυξης των σπονδυλωτών.

Ποικιλόμορφη θαλάσσια ζωή: ο κόσμος των θαλάσσιων σκουπιδιών

Η θάλασσα είναι γεμάτη υπέροχες μορφές ζωής. Από τα φύκια και τα πολύχρωμα ψάρια μέχρι τα θαλάσσια σαλιγκάρια και τα θαλάσσια σκουπίδια, ένας εντελώς διαφορετικός κόσμος αποκαλύπτεται κάτω από το νερό. Τα θαλάσσια squirts, ή τα κύπελλα ειδικότερα, είναι πολύ ασυνήθιστα: μετά το στάδιο της προνύμφης που κινείται ελεύθερα, η προνύμφη εγκαθίσταται και προσκολλάται σε σκληρές επιφάνειες όπως πέτρες ή κοράλλια, αναπτύσσοντας σωλήνες (σιφόνια), που είναι το χαρακτηριστικό τους χαρακτηριστικό. Αν και ως ενήλικες μοιάζουν με σταγόνες από καουτσούκ, είναι οι πιο κοντινοί συγγενείς ασπόνδυλων στον άνθρωπο. Ειδικά στα προνυμφικά τους στάδια, τα θαλάσσια squirts είναι εκπληκτικά παρόμοια με εμάς.

Ως εκ τούτου, οι ασκητές χρησιμοποιούνται συχνά ως πρότυποι οργανισμοί για τη μελέτη της πρώιμης εμβρυϊκής ανάπτυξης Σπονδυλωτά Στο οποίο ανήκουν οι άνθρωποι. «Ενώ τα ασκίδια εμφανίζουν βασικά αναπτυξιακά και μορφολογικά χαρακτηριστικά των σπονδυλωτών, έχουν επίσης την κυτταρική και γονιδιωματική απλότητα που είναι χαρακτηριστική των σπονδυλωτών». Ασπόνδυλα«Η προνύμφη του ασκιδίου συγκεκριμένα είναι ένα ιδανικό μοντέλο για την κατανόηση της πρώιμης ανάπτυξης σπονδυλωτών», εξηγεί ο Carl Philipp Heisenberg, καθηγητής στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας (ISTA).

Οι ερευνητές επισήμαναν την πρωτεΐνη ακτίνης στον φλοιό της ακτομυοσίνης (αριστερά, πράσινη χρώση) και στο μυόπλασμα (δεξιά, μπλε χρώση) για να οπτικοποιήσουν την κίνησή τους μετά τη γονιμοποίηση του ωαρίου. Όταν το κέλυφος της ακτομυοσίνης στην κάτω περιοχή του ωαρίου κινείται, αλληλεπιδρά μηχανικά με το μυόπλασμα, προκαλώντας το να λυγίζει. Οι πόρπες τελικά διαλύονται στον πόλο συστολής. Credit: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Το τελευταίο έργο της ερευνητικής του ομάδας, που δημοσιεύτηκε στο Φυσική της φύσης, παρέχει τώρα νέες πληροφορίες για την ανάπτυξή του. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν τα ασκητικά ωάρια γονιμοποιούνται, οι δυνάμεις τριβής παίζουν κρίσιμο ρόλο στην αναδιαμόρφωση και την αναδιοργάνωση του εσωτερικού τους, προαναγγέλλοντας τα επόμενα βήματα στον καταρράκτη ανάπτυξής τους.

Αποκρυπτογράφηση της μεταμόρφωσης των αυγών

Τα ωάρια είναι γυναικεία γεννητικά κύτταρα που εμπλέκονται στην αναπαραγωγή. Μετά την επιτυχή γονιμοποίηση από αρσενικό σπέρμα, τα ωάρια των ζώων συνήθως υποβάλλονται σε κυτταροπλασματική αναδιοργάνωση, αλλάζοντας το κυτταρικό τους περιεχόμενο και συστατικά. Αυτή η διαδικασία θέτει ένα σχέδιο για την μετέπειτα ανάπτυξη του εμβρύου. Για παράδειγμα, στην περίπτωση των ασκητών, αυτή η τροποποίηση οδηγεί στο σχηματισμό μιας προεξοχής που μοιάζει με καμπάνα – μια μικρή προεξοχή ή ρινικό σχήμα – γνωστή ως πόλος συστολής (CP), όπου συσσωρεύονται βασικές ουσίες που διευκολύνουν την ωρίμανση του εμβρύου. Αλλά ο υποκείμενος μηχανισμός που οδηγεί αυτή τη διαδικασία είναι άγνωστος.

Σχηματισμός πόλου συστολής. Μικροσκοπική χρονική καθυστέρηση των αλλαγών του σχήματος των κυττάρων σε ξενομοσχευμένα ωάρια μετά τη γονιμοποίηση: από μη γονιμοποιημένο ωάριο στην έναρξη του πόλου συστολής έως τον σχηματισμό πόλων συστολής έως την επαναρρόφηση του συστολικού πόλου. Credit: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Μια ομάδα επιστημόνων από το ISTA, το Πανεπιστήμιο του Παρισιού, το CNRS, το King's College του Λονδίνου και τη Σορβόννη ξεκίνησε να ξετυλίξει αυτό το μυστήριο. Για αυτή την προσπάθεια, ο Όμιλος Heisenberg εισήγαγε ενήλικες ασκίδια από τον τερματικό σταθμό Roscoff Marine στη Γαλλία. Σχεδόν όλα τα θαλάσσια squirts είναι ερμαφρόδιτα, καθώς παράγουν τόσο αρσενικά όσο και θηλυκά γεννητικά κύτταρα. «Στο εργαστήριο, τα διατηρούμε σε δεξαμενές αλμυρού νερού σε α Ταξινόμηση«Ένας βολικός τρόπος για να αποκτήσετε ωάρια και σπέρμα για να μελετήσετε την πρώιμη εμβρυϊκή τους ανάπτυξη», λέει η Silvia Caballero Mancebo, η πρώτη συγγραφέας αυτής της μελέτης και πρώην διδακτορική φοιτήτρια στο εργαστήριο του Heisenberg.

Σχηματισμός πόλου συστολής. Μικροσκοπική χρονική καθυστέρηση των αλλαγών του σχήματος των κυττάρων στα ασκητικά ωάρια μετά τη γονιμοποίηση: από ένα μη γονιμοποιημένο ωάριο (πρώτη εικόνα από αριστερά) στην έναρξη του πόλου συστολής (δεύτερη και τρίτη εικόνα από αριστερά) και στο σχηματισμό πόλου συστολής (τέταρτη εικόνα από αριστερά). Πίστωση: © Caballero-Mancebo et al./Φυσική της φύσης

Οι επιστήμονες ανέλυσαν μικροσκοπικά τα γονιμοποιημένα ασκητικά ωάρια και συνειδητοποίησαν ότι ακολουθούσαν άκρως αναπαραγώγιμες αλλαγές στο σχήμα των κυττάρων που οδηγούν στο σχηματισμό του συσταλτικού πόλου. Η πρώτη έρευνα των ερευνητών επικεντρώθηκε στον φλοιό της ακτομυοσίνης (κυτταρικό), μια δυναμική δομή που βρίσκεται κάτω από την κυτταρική μεμβράνη σε ζωικά κύτταρα. Αποτελείται από νημάτια ακτίνης και πρωτεΐνες κινητήρα και γενικά δρα ως κινητήρας για αλλαγές σχήματος στα κύτταρα.

«Ανακαλύψαμε ότι όταν τα κύτταρα γονιμοποιούνται, η αυξημένη τάση στον φλοιό της ακτομυοσίνης τα αναγκάζει να συστέλλονται, προκαλώντας την κίνησή τους (ροή), οδηγώντας στις αρχικές αλλαγές στο σχήμα των κυττάρων», συνεχίζει ο Caballero-Mancebo. Ωστόσο, η ροή της ακτομυοσίνης σταμάτησε κατά τη διάρκεια της διαστολής του πόλου συστολής, υποδηλώνοντας ότι υπάρχουν επιπλέον παίκτες υπεύθυνοι για την προεξοχή.

Silvia Caballero Mancebo. Ο απόφοιτος ISTA βρίσκει μεγάλη χαρά να λύνει τα μυστήρια της φύσης και να τα μετατρέπει σε μυθιστορήματα. Πίστωση εικόνας: © Nadine Boncione/ISTA

Οι δυνάμεις τριβής επηρεάζουν την αναδιαμόρφωση των κυττάρων

Οι επιστήμονες έριξαν μια πιο προσεκτική ματιά σε άλλα κυτταρικά συστατικά που μπορεί να παίζουν ρόλο στη διαστολή του πόλου συστολής. Με αυτόν τον τρόπο, συνάντησαν το μυόπλασμα, ένα στρώμα που αποτελείται από οργανίδια και ενδοκυτταρικά μόρια (σχετικές μορφές των οποίων βρίσκονται σε πολλά αυγά σπονδυλωτών και ασπόνδυλων), με κέντρο την κάτω περιοχή του ασκητικού ωαρίου. «Αυτό το συγκεκριμένο στρώμα συμπεριφέρεται σαν ένα συμπαγές, εκτατό υλικό, αλλάζει σχήμα με το ωάριο κατά τη διάρκεια της γονιμοποίησης», εξηγεί ο Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας στην Αυστρία (ISTA). Η ερευνητική ομάδα κυτταρικών βιολόγων στο ISTA μελετά τα θαλάσσια squirts και τα zebrafish και προσπαθεί να κατανοήσει πώς αποδιοργανωμένες ομάδες κυττάρων μετατρέπονται σε περίτεχνα σχήματα καθώς αναπτύσσονται. Πίστωση εικόνας: © Nadine Boncioni/ISTA

Κατά τη ροή του κελύφους της ακτομυοσίνης, το μυόπλασμα διπλώνει και σχηματίζει πολυάριθμες πόρπες λόγω των δυνάμεων τριβής που υπάρχουν μεταξύ των δύο συστατικών. Καθώς η κίνηση της ακτομυοσίνης σταματά, εξαφανίζονται και οι δυνάμεις τριβής. «Αυτή η ανακοπή οδηγεί τελικά σε διαστολή του πόλου συστολής καθώς πολλαπλές μυοπλασματικές πόρπες διαλύονται σε μια καλά καθορισμένη προεξοχή σε σχήμα καμπάνας», προσθέτει ο Caballero-Mancebo.

Η μελέτη παρέχει νέα εικόνα για το πώς οι μηχανικές δυνάμεις καθορίζουν το σχήμα του κυττάρου και του οργανισμού. Δείχνει ότι οι δυνάμεις τριβής έχουν κεντρικό ρόλο στο σχηματισμό και το σχηματισμό ενός αναπτυσσόμενου οργανισμού. Ωστόσο, οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να κατανοούν τον συγκεκριμένο ρόλο της τριβής στην εμβρυϊκή ανάπτυξη. «Το μυόπλασμα είναι επίσης ενδιαφέρον, επειδή εμπλέκεται και σε άλλες εμβρυϊκές διεργασίες σε ασκήτες», προσθέτει ο Heisenberg. «Η διερεύνηση των ασυνήθιστων φυσικών ιδιοτήτων του και η κατανόηση του πώς παίζει ρόλο στο σχηματισμό των θαλάσσιων σκουπιδιών θα είναι πολύ ενδιαφέρουσα».

Παραπομπή: «Οι δυνάμεις τριβής καθορίζουν την κυτταροπλασματική αναδιοργάνωση και τις αλλαγές σχήματος των ωοκυττάρων κατά τη γονιμοποίηση» από τους Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaden Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris και Carl Philipp Heisenberg, 9 Ιανουαρίου 2024, Φυσική της φύσης.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1