Væksten af ​​en organisme kører på et mønster af bølger

Når en ægcelle fra næsten enhver seksuelt reproducerende art befrugtes, det sætter gang i en række bølger, der bølger hen over æggets overflade. Disse bølger produceres af milliarder af aktiverede proteiner, der strømmer gennem æggets membran som strømme af bittesmå gravende skildvagter, signalerer ægget til at begynde at dele sig, folde, og deler igen, at danne de første cellulære frø af en organisme.

Nu har MIT-forskere taget et detaljeret kig på mønstret af disse bølger, produceret på overfladen af ​​søstjerneæg. Disse æg er store og derfor lette at observere, og videnskabsmænd anser søstjerneæg for at være repræsentative for æg fra mange andre dyrearter.

I hvert æg, holdet introducerede et protein for at efterligne begyndelsen af ​​befrugtning, og registrerede mønstret af bølger, der bølgede hen over deres overflader som svar. De observerede, at hver bølge opstod i et spiralmønster, og at flere spiraler hvirvlede hen over et ægs overflade ad gangen. Nogle spiraler dukkede spontant op og hvirvlede væk i modsatte retninger, mens andre stødte frontalt sammen og forsvandt straks.

Disse hvirvlende bølgers opførsel, vidste forskerne, ligner de bølger, der genereres i andre, tilsyneladende uafhængige systemer, såsom hvirvler i kvantevæsker, cirkulationerne i atmosfæren og havene, og de elektriske signaler, der forplanter sig gennem hjertet og hjernen.

"Ikke meget var kendt om dynamikken af ​​disse overfladebølger i æg, og efter at vi begyndte at analysere og modellere disse bølger, vi fandt, at de samme mønstre dukker op i alle disse andre systemer, " siger fysiker Nikta Fakhri, Thomas D. og Virginia W. Cabot adjunkt ved MIT. "Det er en manifestation af dette meget universelle bølgemønster."

"Det åbner et helt nyt perspektiv, " tilføjer Jörn Dunkel, lektor i matematik ved MIT. "Du kan låne en masse teknikker, folk har udviklet til at studere lignende mønstre i andre systemer, at lære noget om biologi."

Fakhri og Dunkel har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Naturfysik . Deres medforfattere er Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, og Melis Tekant fra MIT.

At finde sit centrum

Tidligere undersøgelser har vist, at befrugtning af et æg straks aktiverer Rho-GTP, et protein i ægget, som normalt flyder rundt i cellens cytoplasma i en inaktiv tilstand. Når den er aktiveret, milliarder af proteinet stiger op af cytoplasmaets morass for at fæstne til æggets membran, slanger sig langs væggen i bølger.

"Forestil dig, hvis du har et meget beskidt akvarium, og når en fisk svømmer tæt på glasset, du kan se det, " Dunkel forklarer. "På en lignende måde, proteinerne er et sted inde i cellen, og når de bliver aktiveret, de fæstner sig til membranen, og du begynder at se dem bevæge sig."

Fakhri siger, at bølgerne af proteiner, der bevæger sig hen over æggets membran, tjener, delvis, at organisere celledeling omkring cellens kerne.

"Ægget er en kæmpe celle, og disse proteiner skal arbejde sammen for at finde deres centrum, så cellen ved, hvor den skal dele sig og foldes, mange gange, at danne en organisme, "Fakhri siger." Uden at disse proteiner skaber bølger, der ville ikke være nogen celledeling."

I deres undersøgelse, holdet fokuserede på den aktive form af Rho-GTP og mønstret af bølger produceret på et ægs overflade, når de ændrede proteinets koncentration.

For deres eksperimenter, de opnåede omkring 10 æg fra søstjernernes æggestokke gennem en minimalt invasiv kirurgisk procedure. De introducerede et hormon for at stimulere modning, og injicerede også fluorescerende markører for at binde til enhver aktiv form for Rho-GTP, der steg op som reaktion. De observerede derefter hvert æg gennem et konfokalt mikroskop og så, mens milliarder af proteinerne blev aktiveret og bølget hen over æggets overflade som reaktion på varierende koncentrationer af det kunstige hormonprotein.

"På denne måde, vi skabte et kalejdoskop af forskellige mønstre og så på deres resulterende dynamik, " siger Fakhri.

Orkan spor

Forskerne samlede først sort-hvide videoer af hvert æg, viser de lyse bølger, der rejste hen over dens overflade. Jo lysere et område i en bølge, jo højere er koncentrationen af ​​Rho-GTP i den pågældende region. For hver video, de sammenlignede lysstyrken, eller koncentration af protein fra pixel til pixel, og brugte disse sammenligninger til at generere en animation af de samme bølgemønstre.

Fra deres videoer, holdet observerede, at bølger syntes at svinge udad som små, orkanlignende spiraler. Forskerne sporede oprindelsen af ​​hver bølge til kernen af ​​hver spiral, som de omtaler som en "topologisk defekt". Af nysgerrighed, de sporede selv bevægelsen af ​​disse defekter. De lavede en statistisk analyse for at bestemme, hvor hurtigt visse defekter bevægede sig over et ægs overflade, og hvor ofte, og i hvilke konfigurationer spiralerne dukkede op, kolliderede, og forsvandt.

I et overraskende twist, de fandt ud af, at deres statistiske resultater, og bølgernes adfærd i et ægs overflade, var de samme som adfærden af ​​bølger i andre større og tilsyneladende ikke-relaterede systemer.

"Når man ser på statistikken over disse defekter, det er i det væsentlige det samme som hvirvler i en væske, eller bølger i hjernen, eller systemer i større skala, " siger Dunkel. "Det er det samme universelle fænomen, bare skaleret ned til niveauet af en celle."

Forskerne er særligt interesserede i bølgernes lighed med ideer inden for kvanteberegning. Ligesom bølgemønstret i et æg formidler specifikke signaler, i dette tilfælde af celledeling, quantum computing er et felt, der har til formål at manipulere atomer i en væske, i præcise mønstre, for at oversætte information og udføre beregninger.

"Måske kan vi nu låne ideer fra kvantevæsker, at bygge minicomputere fra biologiske celler, "Fakhri siger." Vi forventer nogle forskelle, men vi vil forsøge at udforske [biologiske signalbølger] yderligere som et værktøj til beregning."