Исследование показывает, что рябь на только что оплодотворенной яйцеклетке похожа на циркуляцию океана и атмосферы.
Когда яйцеклетка почти любого вида, размножающегося половым путем, оплодотворяется, она запускает серию волн, которые рябью пробегают по поверхности яйца.
Эти волны создаются миллиардами активированных белков, которые прорываются через оболочку яйцеклетки подобно потокам крошечных роющих часовых, сигнализируя яйцеклетке начать делиться, сворачиваться и снова делиться, чтобы образовать первые клеточные семена организм.
Теперь ученые Массачусетского технологического института подробно изучили структуру этих волн, возникающих на поверхности икринок морских звезд. Эти яйца большие, и поэтому их легко наблюдать, и ученые считают яйца морских звезд типичными для яиц многих других видов животных.
В каждое яйцо команда ввела белок, имитирующий начало оплодотворения, и зафиксировала характер волн, которые в ответ прокатывались по их поверхности. Они заметили, что каждая волна возникает в виде спирали, и что несколько спиралей одновременно закручиваются на поверхности яйца. Одни спирали возникали самопроизвольно и закручивались в противоположные стороны, а другие сталкивались лоб в лоб и тут же исчезали.
Исследователи поняли, что поведение этих закрученных волн похоже на волны, генерируемые в других, казалось бы, не связанных между собой системах, таких как вихри в квантовых жидкостях, циркуляция в атмосфере и океанах, а также электрические сигналы, которые распространяются через сердце и мозг.
«О динамике этих поверхностных волн в яйцах было известно немногое, и после того, как мы начали анализировать и моделировать эти волны, мы обнаружили, что те же закономерности проявляются во всех этих других системах», - говорит физик Никта. Фахри, Томас Д.и Вирджиния В. Кэбот, доцент Массачусетского технологического института. «Это проявление очень универсального волнового паттерна».
«Это открывает совершенно новую перспективу», - добавляет Йорн Дункель, адъюнкт-профессор математики Массачусетского технологического института. «Вы можете позаимствовать множество методов, разработанных людьми для изучения подобных закономерностей в других системах, чтобы узнать что-то о биологии».
Фахри и Дункель опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature Physics. Их соавторами являются Цер Хан Тан, Цзингуи Лю, Пирсон Миллер и Мелис Текант из Массачусетского технологического института.
Нахождение своего центра
Предыдущие исследования показали, что оплодотворение яйцеклетки немедленно активирует Rho-GTP, белок в яйцеклетке, который обычно плавает в цитоплазме клетки в неактивном состоянии. После активации миллиарды белков поднимаются из цитоплазматического болота, чтобы прикрепиться к оболочке яйца, извиваясь волнами вдоль стенки.
«Представьте, что у вас очень грязный аквариум, и как только рыба подплывает близко к стеклу, вы можете это увидеть», - объясняет Дункель.«Подобным образом белки находятся где-то внутри клетки, и когда они активируются, они прикрепляются к мембране, и вы начинаете видеть, как они двигаются».
Фахри говорит, что волны белков, движущиеся через мембрану яйцеклетки, частично служат для организации клеточного деления вокруг клеточного ядра.
«Яйцо - это огромная клетка, и эти белки должны работать вместе, чтобы найти ее центр, чтобы клетка знала, где делить и многократно сворачиваться, чтобы сформировать организм», - Фахри говорит. «Без этих белков, создающих волны, не было бы деления клеток».
Исследователи Массачусетского технологического института наблюдают рябь на только что оплодотворенной яйцеклетке, которая похожа на другие системы, от циркуляции океана и атмосферы до квантовых жидкостей. Предоставлено исследователями.
В своем исследовании команда сосредоточилась на активной форме Rho-GTP и структуре волн, возникающих на поверхности яйца, когда они изменяли концентрацию белка.
Для своих экспериментов они получили около 10 яиц из яичников морских звезд с помощью минимально инвазивной хирургической процедуры. Они вводили гормон для стимуляции созревания, а также вводили флуоресцентные маркеры для прикрепления к любым активным формам Rho-GTP, которые возникали в ответ. Затем они исследовали каждую яйцеклетку через конфокальный микроскоп и наблюдали, как миллиарды белков активируются и колеблются по поверхности яйца в ответ на различные концентрации искусственного гормонального белка.
«Таким образом, мы создали калейдоскоп различных паттернов и посмотрели на их результирующую динамику», - говорит Фахри.
Hurricane track
Исследователи сначала собрали черно-белые видео каждого яйца, показывая яркие волны, проходящие по его поверхности. Чем ярче область волны, тем выше концентрация Rho-GTP в этой конкретной области. Для каждого видео они сравнивали яркость или концентрацию белка от пикселя к пикселю и использовали эти сравнения для создания анимации с одними и теми же волновыми узорами.
Из своих видео команда заметила, что волны, казалось, раскачивались наружу в виде крошечных, похожих на ураган спиралей. Исследователи проследили происхождение каждой волны до ядра каждой спирали, которое они называют «топологическим дефектом». Из любопытства они сами отследили движение этих дефектов. Они провели статистический анализ, чтобы определить, как быстро определенные дефекты перемещаются по поверхности яйца, как часто и в какой конфигурации спирали появляются, сталкиваются и исчезают.
Удивительно, но они обнаружили, что их статистические результаты и поведение волн на поверхности яйца были такими же, как и поведение волн в других более крупных и, казалось бы, не связанных между собой системах.
«Когда вы смотрите на статистику этих дефектов, вы видите, что это, по сути, то же самое, что и вихри в жидкости, или волны в мозгу, или системы в более крупном масштабе», - говорит Дункель. «Это то же универсальное явление, только уменьшенное до уровня клетки».
Исследователей особенно интересует сходство волн с идеями квантовых вычислений. Точно так же, как структура волн в яйце передает определенные сигналы, в данном случае деления клетки квантовые вычисления - это область, целью которой является манипулирование атомами в жидкости по точным схемам для преобразования информации и выполнения вычислений.
«Возможно, теперь мы можем позаимствовать идеи из квантовых жидкостей, чтобы построить мини-компьютеры из биологических клеток», - говорит Фахри. «Мы ожидаем некоторых отличий, но мы попытаемся исследовать [биологические сигнальные волны] дальше как инструмент для вычислений».
Это исследование было частично поддержано Фондом Джеймса С. Макдоннелла, Фондом Альфреда П. Слоана и Национальным научным фондом.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.