Rosnąca Morfogeneza Komórek: Jak Grupa Buduje Swoją Formę

Wzrost jako problem pakowania fizycznego

Pozbaczmy z biochemii i rosnący zespół komórkowy, w istocie, jest to problem mechaniczny: miękkie, okrągłe obiekty, które powiększają się z czasem, sporadycznie dzieląc się na dwie i stale rywalizujące ze swoimi sąsiadami o przestrzeń. W tej symulacji każda komórka jest modelowana jako dysk w systemie kierowanym przez siły – każdy parę nakładających się komórek oddala się od siebie z siłą, która rośnie wraz z stopniem ich nakładania, a komórki wystarczająco blisko siebie odczuwają również słabą atrakcję, która utrzymuje zespół spójny zamiast rozpadającego się. Pozwól kilku komórkom inicjacyjnym wyrosnąć i podzielić się zgodnie z tymi zasadami, a zespół samorzutnie uformuje gęsto upakowany, w przybliżeniu sześciokątny układ, taki sam jak ten, który obserwujemy w mydle, kulkach do gry i, co ciekawe, w rzeczywistym tkaniu naskórkowym, gdy wiele podobnych rozmiarowo miękkich obiektów jest ściskanych razem.

Szybkość podziału i adhezja determinują kształt

Dwa parametry dominują w ewolucji kształtu klastra. Szybkość podziału kontroluje, jak szybko komórki osiągają próg rozmiaru i dzielą się, a szybsza szybkość prowadzi do tego, że klaster szybciej rośnie i staje się bardziej szorstki, ponieważ nowe podziały nieustannie zakłócają lokalne ułożenie przed jego relaksacją. Adhezja, czyli siła słabego przyciągania między sąsiednimi komórkami, kontroluje, jak mocno klaster utrzymuje się ze sobą – wysoka adhezja utrzymuje granicę gładką i okrągłą, gdy nowe komórki są absorbowane do zwartego masy, a niska adhezja pozwala krawędzi klastra stać się nierównomierną i palczastą, ponieważ nowo podzielone komórki mogą oddalać się od swoich sąsiadów przed tym, jak siły odpychania przywracają kształt masie. Oba parametry wchodzą w interakcję z siłami pakowania opisanymi powyżej; zmiana któregokolwiek z nich zmienia nie tylko tempo wzrostu, ale także całą jakościową formę, do której klastr ustala się.

Inna koncepcja Turinga: chemia malująca wzory

Wzrost wyjaśnia kształt klastra, ale nie jego wewnętrzną strukturę – prawdziwe tkanki nie są jednorodne, posiadają wzorzyste obszary o różnych typach komórek. W 1952 roku koncepcja Alana Turinga dotycząca morfogenezy zaproponowała zaskakująco prosty mechanizm chemiczny dla tego właśnie zjawiska: dwa rozpuszczające się substancje, aktywator promujący własne wytwarzanie oraz szybszemu rozprzestrzenianiu się inhibitor tłumiący aktywator, mogą spontanicznie ułożyć jednorodny obszar w stabilne plamy, paski lub inne regularne wzory wyłącznie z przypadkowych fluktuacji, bez potrzeby zewnętrznego szablonu. Model Graya-Scotta jest jednym z najlepiej znanych konkretnych implementacji tej idei, opisującym dwie chemikalia U i V reagujące i rozprzestrzeniające się na siatce:

∂U/∂t = Du ∇²U − U V² + f (1 − U) ∂V/∂t = Dv ∇²V + U V² − (f + k) V Du, Dv — współczynniki dyfuzji (Du > Dv, aktywator rozprzestrzenia się wolniej) f — szybkość podawania: jak szybko U jest uzupełniane k — szybkość eliminacji: jak szybko V jest usuwane W zależności od szybkości podawania i eliminacji, te same dwa równania produkują dramatycznie różne wzory ustabilizowane – plamy, paski, labirynty lub powoli pulsujące kule – w systemie, który zaczyna się jako prawie pozbawiony cech losowy szum. Wzór nie jest nigdzie zaprojektowany; pojawia się wyłącznie z powodu oddziaływania lokalnej reakcji i różnicowej dyfuzji, co właśnie sprawia, że mechanizm Turinga jest uważany za prawdopodobne wyjaśnienie fizyczne powstawania wzorów w biologii rzeczywistej, od plam na leopardzie po fałdy na grzbiecie ryby.

∂U/∂t = Du ∇²U − U V² + f (1 − U)
∂V/∂t = Dv ∇²V + U V² − (f + k) V

Du, Dv  — diffusion rates (Du > Dv, the activator spreads slower)
f       — feed rate: how fast U is replenished
k       — kill rate: how fast V is removed

Połączenie wzorca z rosnącym klastrem komórkowym

W tej symulacji pole reakcji i dyfuzji rozprzestrzenia się po tym samym obszarze, na którym znajduje się klastr komórek, a lokalna koncentracja morfogenu, z jakiego doświadcza każda komórka, może wpływać na jej zachowanie – np. poprzez podnoszenie lub obniżanie jej tempa podziałów oraz oznaczanie regionu komórek jako odmiennego przeznaczenia. To odzwierciedla podstawową ideę w biologii rozwoju, znaną jako informacja pozycjonująca: komórki w prawdziwym zarodku nie wiedzą z góry, jaki typ tkanki staną się, czytają lokalną koncentrację rozpuszczających się cząsteczek sygnalizacyjnych zwanych morfogenami, takich jak Sonic hedgehog lub członkowie rodziny BMP, a różne progi stężeń wyzwalają różne programy genetyczne. Gradient morfogenu przekształca położenie przestrzenne w informację, z którą komórka może działać, umożliwiając różnicowaniu populacji komórek o jednorodnej genetyce w uporządkowaną, wzmocnioną tkankę.

Dwa pętle sprzężenia zwrotnego, jedna emergentna struktura

Co czyni symulację tak interesującą, to fakt, że oba procesy wzajemnie na siebie oddziałują: rosnąca, dzieląca się klastra zmienia domenę, w której rozprzestrzenia się wzorzec reakcji-difuzji, przekształcając miejsca, w których mogą rozprzestrzeniać się aktywatory i inhibitory, a powstały wzorzec z kolei wpływa na to, gdzie i jak szybko komórki dzielą się. Ani mechanika pakowania, ani chemia same w sobie nie produkują warstwowej, wzmocnionej struktury, która pojawia się, gdy oba działają razem – niewielkie, konkretne przedstawienie tego, jak mechaniczna i chemiczna samoorganizacja łączą się w prawdziwej biologii rozwoju, aby zbudować ustrukturalizowany organizm z pojedynczej komórki początkowej, bez jakiegokolwiek zewnętrznego planu w systemie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Cell Growth & Morphogenesis i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.