En ændring af retning:Forskning afslører en ny metode til at manipulere cellebevægelser i embryoner

Efterhånden som embryoner vokser fra undfangelse til fødsel, formerer celler sig hurtigt og bevæger sig på en meget organiseret måde for at skabe skelettet, organer og andre vigtige systemer. Men hvordan ved celler, at de bevæger sig i præcis den rigtige retning på det rigtige tidspunkt for at skabe en fuldt dannet, kompleks levende organisme? Dette er et dybt udfordrende spørgsmål for videnskabsmænd.

For at hjælpe med at afdække svaret har University of California San Diego assisterende professor i fysik Mattia Serra og kolleger ved Politecnico di Milano (Italien) udviklet en ny metode, der kan manipulere bevægelsen af ​​embryonale celler ved hjælp af korttidsattraktorer - et koncept Serra havde tidligere udviklet og vedtaget til at hjælpe eftersøgnings- og redningsoperationer til søs.

Deres arbejde vises i Physical Review Letters .

Korttidsattraktorer er strukturer, der påvirker et systems dynamik og bevægelse i en begrænset periode, men som ikke bestemmer langsigtet adfærd. Ved at modulere den rumlige fordeling af myosin - den molekylære motor, der driver cellebevægelsen - var forskerne i stand til at kontrollere placeringen af ​​disse attraktorer og dirigere celleakkumulering til målrettede områder af embryoet.

Mens myosin driver cellebevægelse i embryonet, er der også eksterne kræfter eller forstyrrelser, der også skubber og trækker mod embryoet. Disse forstyrrelser påtvinges snarere end kontrolleres af embryonet.

Dette er en delikat dans. Embryonet skal fordele myosin optimalt, så cellerne bevæger sig mod de attraktorer, der er nødvendige for udvikling, samtidig med at de kæmper med de pålagte forstyrrelser.

Ved hjælp af teori og simuleringer var forskerne i stand til at udtænke en optimal kontrolstrategi til at skabe og styre korttidsattraktorer i flows svarende til dem, der findes i embryoudvikling.

For at bekræfte deres teori manipulerede samarbejdspartnere i Weijer-gruppen ved University of Dundee (Skotland) myosinfordelingen af ​​et kyllingeembryo. Normalt udvikler embryonet en korttidsattraktor som en linje - det er her hovedlegemets akse dannes. Serras forudsigelser antydede, at de med en særlig fordeling af myosin kunne lave en ringformet korttidsattraktor. Weijer-gruppen var i stand til at implementere den foreslåede myosinfordeling i et levende embryo, og den udviklede en cirkulær attraktor snarere end en lineær.

Denne nye metode til at kontrollere cellestrømme kan bruges i konstruktion af syntetiske organer og organoider og kan hjælpe i regenerativ medicinapplikationer.

"Multicellulære flows er komplekse og kan være overvældende at studere. Attraktorer og repellere komprimerer denne kompleksitet til dens væsentlige enheder, der kan kontrolleres og bruges til at optrevle de underliggende principper, der driver flercellede flows," udtalte Serra.

Flere oplysninger: Carlo Sinigaglia et al., Optimal Control of Short-Time Attractors in Active Nematics, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.218302. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.00193

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af University of California - San Diego