Niewidzialna siła zaczyna życie

Naukowcy badają, w jaki sposób siły tarcia napędzają ewolucję organizmów morskich.

Kiedy garncarz pracuje na obracającym się kole, tarcie między jego rękami a miękką gliną pomaga mu kształtować ją we wszelkiego rodzaju kształty i dzieła. Fascynująca paralela polega na tym, że oocyty morskie (niedojrzałe komórki jajowe) wykorzystują tarcie w różnych przedziałach w sobie, aby przejść zmiany rozwojowe po zapłodnieniu. Badanie przeprowadzone przez grupę Heisenberga w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA), opublikowane w Fizyka przyrodyteraz opisano, jak to działa.

Tryskacze morskie przyczepione do raf koralowych. Organizm morski jest doskonałym modelem do badania procesów rozwojowych kręgowców.

Różnorodne życie morskie: świat tryskaczy morskich

Morze jest pełne wspaniałych form życia. Od glonów i kolorowych ryb po ślimaki morskie i tryskawki – pod wodą odkrywa się zupełnie inny świat. Żmije morskie, a w szczególności miski, są bardzo niezwykłe: po swobodnie poruszającym się stadium larwalnym larwa osiada i przyczepia się do twardych powierzchni, takich jak skały czy koralowce, tworząc rurki (syfony), które są ich cechą charakterystyczną. Chociaż w wieku dorosłym wyglądają jak gumowe kulki, są najbliższymi bezkręgowcami spokrewnionymi z człowiekiem. Żmije morskie są zaskakująco podobne do nas, zwłaszcza w stadiach larwalnych.

Dlatego ascety są często wykorzystywane jako organizmy modelowe do badania wczesnego rozwoju embrionalnego Kręgowce Do którego należy człowiek. „Chociaż ascidians wykazują podstawowe cechy rozwojowe i morfologiczne kręgowców, mają także prostotę komórkową i genomiczną typową dla kręgowców”. Bezkręgowce„W szczególności larwa ascidian jest idealnym modelem do zrozumienia wczesnego rozwoju kręgowców” – wyjaśnia Carl Philipp Heisenberg, profesor austriackiego Instytutu Nauki i Technologii (ISTA).

Naukowcy oznaczyli białko aktyny w korze aktomiozyny (po lewej, zabarwienie na zielono) i mioplazmie (po prawej, zabarwienie na niebiesko), aby zwizualizować ich ruch po zapłodnieniu komórki jajowej. Kiedy skorupa aktomiozyny w dolnej części jaja porusza się, oddziałuje mechanicznie z mioplazmą, powodując jej wypaczenie. Klamry ostatecznie rozpuszczają się w biegunie skurczowym. Źródło: © Caballero-Mancebo i in./Nature Physics

Najnowsza praca jego grupy badawczej, opublikowana w Fizyka przyrody, zapewnia teraz nowy wgląd w jego rozwój. Wyniki wskazują, że podczas zapłodnienia jaj ascetycznych siły tarcia odgrywają kluczową rolę w przebudowie i reorganizacji ich wnętrz, zwiastując kolejne etapy ich kaskady rozwojowej.

Rozszyfrowanie metamorfozy jaja

Zalążki to żeńskie komórki rozrodcze biorące udział w rozmnażaniu. Po udanym zapłodnieniu plemnikiem męskim, jaja zwierzęce zazwyczaj przechodzą reorganizację cytoplazmatyczną, zmieniając ich zawartość komórkową i składniki. Proces ten stanowi plan późniejszego rozwoju płodu. Na przykład w przypadku ascety modyfikacja ta prowadzi do powstania dzwonowatej wypukłości – małej wypukłości lub kształtu nosa – zwanej biegunem skurczu (CP), w której gromadzą się niezbędne substancje ułatwiające dojrzewanie płodu. Jednak podstawowy mechanizm napędzający ten proces jest nieznany.

Tworzenie bieguna skurczu. Mikroskopijne upływ czasu zmian kształtu komórek w ksenoprzeszczepionych oocytach po zapłodnieniu: od niezapłodnionego jaja do inicjacji bieguna skurczu, tworzenia bieguna skurczu do ponownej absorpcji bieguna skurczu. Źródło: ©Caballero-Mancebo i in./Nature Physics

Grupa naukowców z ISTA, Paris City University, CNRS, King's College London i Sorbonne postanowiła rozwikłać tę tajemnicę. W tym celu Grupa Heisenberg sprowadziła dorosłe osobniki z terminalu morskiego Roscoff we Francji. Prawie wszystkie tryskacze morskie są hermafrodytami, ponieważ wytwarzają zarówno męskie, jak i żeńskie komórki rozrodcze. „W laboratorium trzymamy je w zbiornikach ze słoną wodą w temp Klasyfikować„Wygodny sposób na uzyskanie komórek jajowych i nasienia do badania ich wczesnego rozwoju embrionalnego” – mówi Silvia Caballero Mancebo, pierwsza autorka tego badania i była doktorantka w laboratorium Heisenberga.

Tworzenie bieguna skurczu. Mikroskopijne poklatkowe zmiany kształtu komórek w oocytach ascetycznych po zapłodnieniu: od niezapłodnionego jaja (pierwsze zdjęcie od lewej) do inicjacji bieguna skurczu (drugie i trzecie zdjęcie od lewej) i powstania bieguna skurczu (czwarte zdjęcie od lewej). Źródło: © Caballero-Mancebo i in./Fizyka przyrody

Naukowcy przeanalizowali mikroskopowo zapłodnione jaja ascetów i zdali sobie sprawę, że śledzą one wysoce powtarzalne zmiany w kształcie komórek, które prowadzą do powstania bieguna kurczliwości. Pierwsze badania naukowców skupiły się na korze aktomiozyny (komórkowej), dynamicznej strukturze znajdującej się pod błoną komórkową w komórkach zwierzęcych. Składa się z włókien aktynowych i białek motorycznych i ogólnie działa jako motor zmian kształtu w komórkach.

„Odkryliśmy, że podczas zapłodnienia komórki zwiększone napięcie w korze aktomiozyny powoduje ich kurczenie się, uruchamiając ich ruch (przepływ), co prowadzi do początkowych zmian w kształcie komórek” – kontynuuje Caballero-Mancebo. Jednakże przepływ aktomiozyny ustał podczas rozszerzania się bieguna skurczu, co sugeruje, że za wysunięcie odpowiadają dodatkowi gracze.

Silvii Caballero Mancebo. Absolwentka ISTA czerpie wielką przyjemność z rozwiązywania zagadek natury i przekształcania ich w powieści. Źródło zdjęcia: © Nadine Boncione/ISTA

Siły tarcia wpływają na przebudowę komórek

Naukowcy przyjrzeli się bliżej innym składnikom komórkowym, które mogą odgrywać rolę w rozszerzaniu biegunów skurczu. Czyniąc to, natknęli się na mioplazmę, warstwę złożoną z organelli i cząsteczek wewnątrzkomórkowych (których pokrewne formy występują w jajach wielu kręgowców i bezkręgowców), skupioną w dolnym obszarze ascetycznej komórki jajowej. „Ta specyficzna warstwa zachowuje się jak solidny, rozciągliwy materiał, zmienia kształt wraz z jajem podczas zapłodnienia” – wyjaśnia Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii (ISTA). Grupa badawcza biologów komórkowych w ISTA bada żółwie morskie i danio pręgowanego i próbuje zrozumieć, w jaki sposób zdezorganizowane grupy komórek przekształcają się w skomplikowane kształty w miarę rozwoju. Źródło zdjęcia: © Nadine Boncione/ISTA

Podczas przepływu otoczki aktomiozyny mioplazma fałduje się i tworzy liczne sprzączki w wyniku sił tarcia występujących pomiędzy dwoma składnikami. Gdy ruch aktomiozyny zatrzymuje się, siły tarcia również zanikają. „To zatrzymanie ostatecznie prowadzi do rozszerzenia bieguna skurczu, gdy wiele sprzączek mioplazmatycznych rozpuszcza się w dobrze zdefiniowany występ w kształcie dzwonu” – dodaje Caballero-Mancebo.

Badanie dostarcza nowego wglądu w to, jak siły mechaniczne determinują kształt komórek i organizmów. Pokazuje, że siły tarcia odgrywają kluczową rolę w powstawaniu i kształtowaniu rozwijającego się organizmu. Jednak naukowcy dopiero zaczynają rozumieć specyficzną rolę tarcia w rozwoju embrionalnym. „Mioplazma jest również interesująca, ponieważ bierze udział również w innych procesach embrionalnych u ascetów” – dodaje Heisenberg. „Badanie jej niezwykłych właściwości fizycznych i zrozumienie roli, jaką odgrywa w tworzeniu tryskaczy morskich, będzie bardzo interesujące”.

Odniesienie: „Siły tarcia determinują reorganizację cytoplazmy i zmiany kształtu oocytów po zapłodnieniu” autorstwa Sylvii Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris i Carl Philipp Heisenberg, 9 stycznia 2024 r., Fizyka przyrody.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1