Гены используют физику для выращивания живых существ

Та же сила притяжения, которая вызывает «слёзы» в бокале вина, также формирует эмбрионы. Это ещё один пример того, как гены используют механические силы для роста и развития. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Отпив вина, вы заметите, как жидкость непрерывно стекает по влажной стенке бокала. В 1855 году Джеймс Томсон, брат лорда Кельвина, объяснил в журнале «Philosophical Magazine», что эти «слёзы» или «ножки» вина возникают из-за разницы поверхностного натяжения спирта и воды. «Этот факт даёт объяснение нескольким весьма любопытным движениям», — писал Томсон. Он и представить себе не мог, что тот же эффект, позже названный эффектом Марангони, может влиять и на развитие эмбрионов.

В марте группа биофизиков из Франции сообщила, что эффект Марангони отвечает за поворотный момент, когда однородный сгусток клеток удлиняется и развивает ось «голова и хвост» — первые определяющие черты будущего организма.

Это открытие является частью тенденции, которая бросает вызов общепринятым в биологии. Обычно биологи пытаются охарактеризовать рост, развитие и другие биологические процессы как результат химических сигналов, запускаемых генетическими инструкциями. Но эта картина часто казалась неполной. Исследователи всё больше осознают роль механических сил в биологии: сил, которые толкают и тянут ткани в ответ на их материальные свойства, управляя ростом и развитием способами, недоступными генам.

Современные методы визуализации и измерения открыли учёным глаза на эти силы, наполнив область данных, которые позволяют проводить механистическую интерпретацию. «За последние десятилетия действительно изменилась возможность наблюдать за происходящим вживую и понимать механизмы с точки зрения движения клеток, их перестройки и роста тканей», — сказал Пьер-Франсуа Ленн из Университета Экс-Марсель, один из авторов недавнего исследования.

Переход к механистическим объяснениям возродил интерес к догенетическим моделям биологии. Например, в 1917 году шотландский биолог, математик и исследователь античности Д’Арси Томпсон опубликовал работу «О росте и форме», в которой подчёркивал сходство между формами, наблюдаемыми у живых организмов, и формами, возникающими в неживой материи. Томпсон написал эту книгу как противоядие от, по его мнению, чрезмерной тенденции объяснять всё в терминах дарвиновского естественного отбора. Его тезис о том, что физика также формирует нас, снова входит в моду.

«Гипотеза заключается в том, что физика и механика могут помочь нам понять биологию на уровне тканей», — сказал Александр Кабла, физик и инженер из Кембриджского университета.

Теперь задача состоит в том, чтобы понять взаимодействие причин, где гены и физика каким-то образом действуют рука об руку, формируя организмы.

Расти по течению

Механические модели роста эмбрионов и тканей не новы, но у биологов долгое время не было способов проверить эти идеи. Увидеть эмбрионы сложно: они малы и рассеивают свет во всех направлениях, словно матовое стекло. Однако новые методы микроскопии и анализа изображений открыли более чёткое представление о развитии.

Ленн и его коллеги применили некоторые из новых методов для наблюдения за движением клеток внутри гаструлоидов мышей: пучков стволовых клеток, которые по мере своего роста имитируют ранние стадии роста эмбриона.

Их наблюдения показали, что клетки поднимаются по бокам гаструлоида, а затем формируют поток ткани, текущий по центру. Ленне эта система напомнила ему каплю, и, изучая литературу о поверхностном натяжении в движущейся капле, он наткнулся на эффект Марангони.

Описание эффекта Марангони Джеймсом Томсоном в 1855 году объясняло, как при встрече двух жидкостей с разным поверхностным натяжением жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет притягивать другую. Это происходит потому, что поверхностное натяжение — это всего лишь тенденция самых внешних молекул в жидкости втягиваться внутрь соседними молекулами. Когда встречаются две жидкости, жидкость с более высоким поверхностным натяжением будет иметь более сильное притяжение, поэтому жидкость с более низким натяжением будет двигаться в направлении жидкости с более высоким натяжением. В бокале для вина спирт на смоченных стенках бокала быстро испаряется, оставляя более водянистую жидкость. Вода имеет более высокое поверхностное натяжение, чем спирт, поэтому водянистые стенки тянут вино в бокале к верхней части смоченной области. В конце концов оно капает вниз под собственным весом, образуя «слезы».

Этот поток вина вверх по стенкам и обратно вниз аналогичен потоку ткани в гаструлоиде. Действительно, когда команда протестировала модель потока ткани гаструлоида по типу Марангони, они обнаружили, по их мнению, поразительное совпадение с их экспериментальными данными.

Течение Марангони — это механический эффект, но гены тоже участвуют: они устанавливают разницу поверхностного натяжения. Сначала гены производят более высокую концентрацию двух определенных белков в одной части капли клеток. Эти белки приводят к более низкому поверхностному натяжению, и поэтому ткань оттекает от этой области. Ткань движется по периферии гаструлоида, прежде чем рециркулировать по его центру — точно так же, как винные слезы стекают обратно по стенке бокала. Этот процесс удлиняет гаструлоид. Это «очень хороший пример того, как механика в сочетании со всей внутренней сложностью молекулярной и клеточной биологии играет очень важную роль в формировании организмов», — сказал Кабла. 

Чешуя пера

В 2017 году Алан Родригес и Эми Шайер не смогли найти то, что искали. Они, соруководители Лаборатории морфогенеза Рокфеллеровского университета, пытались понять, как формируется равномерное расположение перьев у птиц. В то время была популярна теория, согласно которой эмбрионы птиц выделяют в кожную ткань особые молекулы, называемые морфогенами. Эти морфогены затем запускают гены, вырабатывающие белки в нужных местах для формирования фолликулов. Однако исследователям не удалось найти генетический сигнал, который мог бы запустить этот процесс.

Они пришли к выводу, что значительную роль играют механические и растягивающие силы. В отчёте, опубликованном в журнале Science в 2023 году, их команда обнаружила, что морфогены действительно секретируются непосредственно перед началом формирования перьевого фолликула. Однако морфогены, по-видимому, не влияли на развитие на уровне отдельных клеток. Вместо этого они влияли на более крупные участки ткани. Морфогены влияли на свойства материала ткани, создавая условия для того, чтобы механические силы толкали и тянули ткань, формируя структуру фолликула.

«Нас действительно поразило то, что можно обойтись относительно простым набором инструкций на генетическом и молекулярном уровне, — сказал Родригес. — Потому что на других уровнях происходят дополнительные процессы и возникают новые свойства».

Для Родригеса главный вопрос заключается в том, как различные процессы взаимодействуют на разных уровнях длины, от генов до клеток и тканей. Дело не в том, что всё начинается с самых малых масштабов и развивается оттуда. В случае развития перьевых фолликулов птиц изменения на молекулярном и тканевом уровнях возникают одновременно. Работа «бросает вызов общепринятому представлению во многих областях биологии», — сказал Родригес, — «о том, что регуляция или причинно-следственная связь возникают на молекулярном уровне, а затем распространяются на более высокие уровни, определяя такие высокоуровневые свойства, как форма».

Приступая к действию

Некоторые белки действительно влияют на свойства материала внутри отдельных клеток, создавая условия для действия механических сил и на этом уровне. Например, во время эмбриогенеза плодовой мушки клетки эмбриона не просто перестраиваются; Кабла и его соавторы обнаружили, что клетки также растягиваются. Это растяжение, по-видимому, напрямую связано с активностью генов, что приводит к любопытной характеристике эластичности клеток.

Возьмём пружину или эластичный материал, например, резинку. Материал будет растягиваться пропорционально приложенной силе. Это соотношение известно как закон Гука и справедливо в общем случае. За исключением случаев, когда растягиваемый объект находится в вязкой жидкости, в этом случае величина растяжения также зависит от времени. (Вспомните перемешивание патоки: её трудно перемешивать быстро.)

Биологические организмы, по-видимому, также подвержены этой зависимости от времени. Несколько групп исследователей измерили растяжение некоторых клеток эмбриона плодовой мушки и обнаружили, что их удлинение зависит от квадратного корня времени приложения силы. Возникает вопрос: откуда берётся такое поведение?

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters в июне, Константин Дубровинский и его коллеги из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета объясняют это явление выработкой актина, одного из самых распространённых белков в этих клетках. Они предполагают, что актиновые филаменты при выработке фактически натягивают клетку подобно пружинам, создавая сопротивление силе, растягивающей клетки, и обуславливая наблюдаемое поведение.

Дубровинский и его команда подтвердили роль актина, повторив эксперимент с препаратами, препятствующими сборке актинового белка. «По сути, упругий ответ практически полностью исчезает», — сказал он.

Кабла говорит, что, хотя исследование убедительно доказывает, дискуссия о растягивающемся поведении продолжается. Он отмечает, что одна из задач биологии — выяснить, что является причиной, и является ли данное явление ключевым фактором изменений, способствующим фактором или незначительным следствием.

Эти вопросы перекликаются с аналогичными дебатами о биологическом значении геометрических сходств, каталогизированных Д’Арси Томпсоном более 100 лет назад. Однако центральный аргумент Томпсона о том, что эти геометрические формы являются результатом действия физических сил, выдерживает современную критику.

«Многим из нас, — сказал Кабла, — кажется естественным, что там, где есть движение, скорее всего, задействована механика».

Источник: www.quantamagazine.org