Biologen und Mathematiker im team zu erkunden Gewebe Falten: Ein Algorithmus entwickelt, der die Untersuchung der Struktur von Galaxien zu erklären, ein wesentliches Merkmal der embryonalen Entwicklung

Biologen und Mathematiker im team zu erkunden Gewebe Falten: Ein Algorithmus entwickelt, der die Untersuchung der Struktur von Galaxien zu erklären, ein wesentliches Merkmal der embryonalen Entwicklung

Wie Embryonen entwickeln, Sie Folgen vorgegebenen mustern des Gewebes Falten, so dass Individuen der gleichen Spezies am Ende mit der fast identisch geformte Organe, und sehr ähnliche Formen des Körpers.

MIT-Forscher haben jetzt entdeckt, ein wesentliches Merkmal des embryonalen Gewebes, die hilft zu erklären, wie dieser Prozess durchgeführt wird, so treu zu jeder Zeit. In einer Studie von Fruchtfliegen, fanden Sie heraus, dass die Reproduzierbarkeit des Gewebes Falten erzeugt wird, durch ein Netzwerk von Proteinen, die eine Verbindung wie ein Fischernetz, schaffen viele alternative Wege, die Gewebe verwenden können, um Falten Sie den rechten Weg.

„Was wir fanden, ist, dass es sehr viel Redundanz im Netz,“ sagt Adam Martin, ein MIT-außerordentlicher professor der Biologie und der senior-Autor der Studie. „Die Zellen sind die Interaktion und die Verbindung mit einander mechanisch, aber Sie sehen nicht einzelne Zellen eine wichtige Rolle. Dies bedeutet, dass, wenn eine Zelle beschädigt wird, andere Zellen können weiterhin eine Verbindung auf verschiedene Teile des Gewebes.“

Zu entdecken sind diese Netzwerk-features, Martin arbeitete mit Jörn-Dunkel -, ein MIT-außerordentlicher professor der physikalischen angewandte Mathematik und ein Autor auf dem Papier, die Anwendung eines Algorithmus in der Regel von den Astronomen zur Untersuchung der Struktur von Galaxien.

Hannah Yevick, ein MIT-postdoc, ist der führende Autor der Studie, die heute in Developmental Cell. Graduate student Pearson Miller ist auch einer der Autoren des Papiers.

Ein Sicherheitsnetz

Während der embryonalen Entwicklung, Gewebe verändern Ihre Form durch einen Prozess bekannt als Morphogenese. Eine wichtige Möglichkeit, Gewebe verändern Ihre Form ist die Falte, die erlaubt, die flachen Blätter von embryonalen Zellen zu Röhren und andere wichtige Formen der Organe und anderen Körperteilen. Frühere Studien mit Fruchtfliegen haben gezeigt, dass auch wenn einige dieser embryonalen Zellen geschädigt werden, die Blätter können noch Falten in Ihren richtigen Formen.

„Dies ist ein Prozess, das ist ziemlich gut reproduzierbar, und so wollten wir wissen, was macht Sie so robust,“ sagt Martin.

In dieser Studie, die Forscher konzentrierten sich auf den Prozess der gastrulation, während welcher der embryo wird neu organisiert von einer single-Layer Kugel, um eine komplexere Struktur mit mehreren Ebenen. Dieser Prozess und andere morphogenetische Prozesse ähnlich wie Taufliege Gewebe Falten, kommen auch in menschlichen Embryonen. Die embryonalen Zellen, die in der gastrulation enthalten in Ihrem Zytoplasma Proteine, so genannte myosin und Aktin, die form-Kabel und schließen Sie an-junctions zwischen den Zellen bilden ein Netzwerk, über das Gewebe. Martin und Yevick hatten die Hypothese aufgestellt, dass das Netzwerk der Zell-verbindungen eine Rolle spielen könnten in der Robustheit des Gewebes Falten, aber bis jetzt gab es keine gute Möglichkeit zu verfolgen, die verbindungen des Netzwerks.

Um zu erreichen, dass Martin ‚ s lab zusammen mit Dunkel, die ein Studium der Physik der weichen Oberflächen und fließenden Materie-zum Beispiel Faltenbildung und Muster der bakteriellen streaming. Für diese Studie, Dunkel, hatte die Idee, anwenden mathematischer Verfahren, die Rückschlüsse auf die topologischen Eigenschaften einer dreidimensionalen Struktur, die Analog zum Bergrücken und Täler in einer Landschaft. Astronomen verwenden Sie diesen Algorithmus zum identifizieren von Galaxien, und in diesem Fall verwendeten die Forscher es auf die Spur, die actomyosin-Netzwerke innerhalb und zwischen den Zellen in einem Blatt des Gewebes.

„Sobald Sie haben das Netzwerk, können Sie die standard-Methoden von Netzwerk-Analyse-die gleiche Art von Analyse, die Sie anwenden würden, um Straßen oder andere Verkehrsnetze, und die Durchblutung, ein Netzwerk oder eine andere form von Netzwerk,“ Dunkel sagt.

Unter anderem diese Art von Analyse kann zeigen die Struktur des Netzwerks und wie effizient die information fließt an Ihr entlang. Eine wichtige Frage ist, wie gut ein Netzwerk passt, wenn ein Teil davon beschädigt oder blockiert. Das MIT-team festgestellt, dass die actomyosin-Netzwerk enthält eine große Menge an Redundanz — das ist, die meisten der „Knoten“ des Netzwerks verbunden sind mit vielen anderen Knoten.

Diese Redundanz ist Analog zu einem guten öpnv-system, wo, wenn ein bus-oder Bahn-Linie nach unten geht, können Sie trotzdem an Ihr Ziel zu gelangen. Da die Zellen erzeugen kann, die mechanische Spannung entlang viele verschiedene Wege, Sie können Falten Sie den rechten Weg, auch wenn viele von den Zellen in das Netzwerk sind beschädigt.

„Wenn Sie und ich halten ein einziges Seil, und dann wir schneiden es in der Mitte, es würde auseinander brechen. Aber wenn du net, und schneiden Sie es an einigen stellen, es bleibt immer noch Global vernetzt und übermitteln kann, Kräfte, solange Sie nicht schneiden alle es,“ Dunkel sagt.

Klapp-Rahmen

Die Forscher fanden auch, dass die verbindungen zwischen den Zellen bevorzugt organisieren sich, um in die gleiche Richtung laufen wie die Furche bildet, die in den frühen Stadien der Faltung.

„Wir denken, dies ist die Einrichtung eines Rahmens, um die herum das Gewebe wird verabschiedet seine Form“, sagt Martin. „Wenn Sie verhindern, dass die Richtung der verbindungen, was dann passiert ist, können Sie immer noch Falten, aber es wird klappen entlang der falschen Achse.“

Obwohl diese Studie wurde in Fruchtfliegen ähnliche Faltung tritt bei Wirbeltieren (einschließlich des Menschen) während der Bildung des Neuralrohrs, das ist der Vorläufer von Gehirn und Rückenmark. Martin will nun wenden Sie die Techniken, die er verwendet, in der Fruchtfliege, um zu sehen, wenn die actomyosin-Netzwerk ist organisiert in der gleichen Weise in den neuronalen tube Mäuse. Defekte in der Schließung des Neuralrohrs führen kann Geburtsfehler, wie spina bifida.

„Wir würden gerne verstehen, wie es falsch geht,“ sagt Martin. „Es ist noch nicht klar, ob die Versiegelung der tube, die problematisch ist, oder ob es Mängel bei der Faltung Prozess.“

Finanziert wurde die Forschung durch das National Institute of General Medical Sciences und der James-S.-McDonnell-Stiftung.