Кога јајце клетка од речиси кој било полово размножувачки вид е оплодена, таа предизвикува серија бранови што се брануваат по површината на јајце клетката. Овие бранови се произведуваат од милијарди активирани протеини што се движат низ мембраната на јајце клетката како потоци од ситни стражари, сигнализирајќи ја јајце клетката да почне да се дели, превиткува и повторно да се дели, за да ги формира првите клеточни семиња на организмот.
Сега научниците од МИТ детално го разгледаа моделот на овие бранови, произведени на површината на јајцата од морска ѕвезда. Овие јајца се големи и затоа лесни за набљудување, а научниците сметаат дека јајцата од морска ѕвезда се репрезентативни за јајцата на многу други животински видови.
Во секое јајце, тимот вовел протеин за да го имитира почетокот на оплодувањето и го снимил моделот на бранови што се бранувале по нивните површини како одговор. Тие забележале дека секој бран се појавувал во спирален модел и дека повеќе спирали се вртат по површината на јајцето истовремено. Некои спирали спонтано се појавувале и се вртат во спротивни насоки, додека други се судриле челно и веднаш исчезнале.
Истражувачите сфатија дека однесувањето на овие вртложни бранови е слично на брановите генерирани во други, навидум неповрзани системи, како што се вртлозите во квантните флуиди, циркулацијата во атмосферата и океаните и електричните сигнали што се шират низ срцето и мозокот.
„Не се знаеше многу за динамиката на овие површински бранови во јајцата, а откако почнавме да ги анализираме и моделираме овие бранови, откривме дека истите шеми се појавуваат во сите овие други системи“, вели физичарот Никта Факри, доцент на Томас Д. и Вирџинија В. Кабот на МИТ. „Тоа е манифестација на овој многу универзален бранов шем“.
„ Отвора сосема нова перспектива“, додава Јерн Дункел, вонреден професор по математика на МИТ. „Можете да позајмите многу техники што луѓето ги развиле за да проучуваат слични шеми во други системи, за да научат нешто за биологијата.“
Факри и Данкел ги објавија своите резултати денес во списанието „Nature Physics“. Нивни коавтори се Цер Хан Тан, Џингхуи Лиу, Пирсон Милер и Мелис Текант од МИТ.
Пронаоѓање на сопствениот центар
Претходните студии покажаа дека оплодувањето на јајце клетката веднаш го активира Rho-GTP, протеин во јајце клетката кој нормално лебди во цитоплазмата на клетката во неактивна состојба. Откако ќе се активираат, милијарди од протеините се креваат од мочуриштето на цитоплазмата за да се закачат на мембраната на јајце клетката, движејќи се по ѕидот во бранови.
„Замислете ако имате многу валкан аквариум и откако рибата ќе отплива блиску до стаклото, можете да ја видите“, објаснува Данкел. „На сличен начин, протеините се некаде во клетката и кога ќе се активираат, се закачуваат на мембраната и почнувате да ги гледате како се движат.“
Факри вели дека брановите на протеини што се движат низ мембраната на јајцето, делумно, служат за организирање на клеточната делба околу јадрото на клетката.
„Јајцето е огромна клетка, а овие протеини мора да работат заедно за да го пронајдат својот центар, така што клетката знае каде да се подели и превитка, многу пати, за да формира организам“, вели Факри. „Без овие протеини да создаваат бранови, немаше да има клеточна делба.“
Истражувачите од МИТ набљудуваат бранувања низ новооплодена јајце клетка кои се слични на други системи, од океанските и атмосферските циркулации до квантните флуиди.
Во нивната студија, тимот се фокусираше на активната форма на Rho-GTP и моделот на бранови произведени на површината на јајцето кога ја менуваат концентрацијата на протеинот.
За нивните експерименти, тие добиле околу 10 јајце-клетки од јајниците на морска ѕвезда преку минимално инвазивна хируршка процедура. Тие вовеле хормон за да го стимулираат созревањето, а исто така инјектирале и флуоресцентни маркери за да се закачат на сите активни форми на Rho-GTP кои се креваат како одговор. Потоа го набљудувале секое јајце преку конфокален микроскоп и гледале како милијарди протеини се активираат и брануваат по површината на јајцето како одговор на различни концентрации на вештачкиот хормонален протеин.
„На овој начин, создадовме калеидоскоп од различни шеми и ја разгледавме нивната резултирачка динамика“, вели Факри.
Потрага по урагани
Истражувачите прво составија црно-бели видеа од секое јајце, прикажувајќи ги светлите бранови што патуваат по неговата површина. Колку е посветла областа во бранот, толку е поголема концентрацијата на Rho-GTP во таа одредена област. За секое видео, тие ја споредуваа осветленоста, или концентрацијата на протеини од пиксел до пиксел, и ги користеа овие споредби за да генерираат анимација на истите брановидни шеми.
Од нивните видеа, тимот забележал дека брановите како да осцилираат нанадвор како мали спирали слични на ураган. Истражувачите го проследиле потеклото на секој бран до јадрото на секоја спирала, што го нарекуваат „тополошки дефект“. Од љубопитност, тие самите го следеле движењето на овие дефекти. Тие направиле статистичка анализа за да утврдат колку брзо одредени дефекти се движеле по површината на јајцето и колку често и во какви конфигурации спиралите се појавувале, се судриле и исчезнувале.
Во изненадувачки пресврт, тие откриле дека нивните статистички резултати и однесувањето на брановите на површината на јајцето се исти како и однесувањето на брановите во други поголеми и навидум неповрзани системи.
„Кога ќе ја погледнете статистиката за овие дефекти, тоа е во суштина исто како вртлози во течност, или бранови во мозокот, или системи на поголем обем“, вели Данкел. „Тоа е истиот универзален феномен, само намален на ниво на клетка.“
Истражувачите се особено заинтересирани за сличноста на брановите со идеите во квантното пресметување. Исто како што шемата на брановите во јајце пренесува специфични сигнали, во овој случај на клеточна делба, квантното пресметување е поле кое има за цел да манипулира со атомите во течност, во прецизни шеми, со цел да преведе информации и да изврши пресметки.
„Можеби сега можеме да позајмиме идеи од квантни флуиди, за да изградиме миникомпјутери од биолошки клетки“, вели Факри. „Очекуваме некои разлики, но ќе се обидеме понатаму да ги истражиме [биолошките сигнални бранови] како алатка за пресметување.“
Ова истражување беше делумно поддржано од Фондацијата Џејмс С. Мекдонел, Фондацијата Алфред П. Слоун и Националната научна фондација.
извор: https://news.mit.edu/2020/growth-organism-waves-0323