Πώς παίρνει μορφή η ζωή;

στις

Αρχική δημοσίευση: Allen Institute
Αντικείμενο: Μορφογένεση
Επιμέλεια-Μετάφραση: Πυθεύς

Ας αναλογισθούμε τη μορφή που παίρνει η ζωή. Οι μορφές των ζωντανών πλασμάτων ποικίλουν από μικροσκοπικά, νηματοειδή βακτήρια σε ρυτιδωμένα, γιγάντια σώματα χαυλιοδοντοφόρων ελεφάντων σε ελικοειδείς, κληματσίδες αμπελιού.

Πώς γίνεται αυτό; Ποιοί βιολογικοί κανόνες εγγυώνται την πολυσύνθετη και όμορφη ποικιλομορφία της; Πώς προσαρμόζονται με τις μεταβολές των συνθηκών τα μεμονωμένα κύτταρα και οι πολυκύτταροι οργανισμοί, αναπαράγοντας δομές μετά από σοβαρή βλάβη;

Οι ερευνητές στο Κέντρο Ανακαλύψεων Allen στο Πανεπιστήμιο Tufts μελετούν το είδος του πλατυέλμυνθα που είναι γνωστό ως Planaria [Πλανάριοι σκώληκες: Ζώα/Πλατυέλμυνθες/Στροβιλιστικοί/Πλανάρια ] για να κατανοήσουν καλύτερα τις δυνάμεις που οδηγούν στην ανάπτυξη και την αναγέννηση.

Την τελευταία εβδομάδα, διεθνής ομάδα ερευνητών συγκεντρώθηκε στο Ινστιτούτο Allen για να παρουσιάσει και να συζητήσει τις προσπάθειές τους για την απάντηση αυτών των ερωτημάτων. Το συμπόσιο με την ονομασία «Exploring Frontiers: Nature’s Blueprint,» ένωσε επιστήμονες που μελετούν φυτά, ζώα, βακτήρια ακόμα και τη συνθετική ζωή κάτω από την ομπρέλα της μορφογένεσης, τις συχνά μυστηριώδεις βιολογικές διαδικασίες που επιτρέπουν σε βιολογικές δομές να δημιουργούν και να διατηρούν σύνθετες μορφές.

Με μια ευρεία έννοια, κάποιοι σκέφτονται το DNA σαν το σχέδιο της ζωής, αλλά αυτό μπορεί να μην είναι η πλήρης εικόνα, δήλωσε ο βιολόγος Wallace Marshall, Ph.D., ένας από τους ομιλητές του συμποσίου του οποίου η ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο California, San Francisco, μελετά τον μικροσκοπικό βλεφαριδοφόρο [ονομάζονται έτσι γιατί χρησιμοποιούν μικροσκοπικά τριχία για την μετακίνησή τους αλλά και για τη δημιουργία ρευμάτων νερού που εξυπηρετεί τη διατροφή] οργανισμό κωνικού σχήματος (τρομπέτας) γνωστός ως Stentor .

Το σχέδιο λέει στους χρήστες του πού ακριβώς να τοποθετήσουν όλα τα κομμάτια και πως θα πρέπει να μοιάζει το ολοκληρωμένο προϊόν. «Το DNA μοιάζει πιο πολύ με βιβλίο συνταγών που περιέχει όλα τα συστατικά αλλά όχι εικόνες, » ανέφερε ο Marshall. «Όλα καλά αν φτιάχνεις σούπα αλλά αν πρόκειται για μοσχάρι σε σφολιάτα;»

«Ζύμη-χιονονιφάδα» εργαστηριακά δημιουργημένη εκδοχή μονοκυτταρικής ζύμης αρτoποιΐας, που θα μπορούσε να αποκαλύψει την εξέλιξη μεγαλύτερων δημιουργημάτων. _Image courtesy of Will Ratcliff, Ph.D.

Τα όντα προφανώς γνωρίζουν πώς να οικοδομήσουν τον εαυτό τους από τα αρχικά τους υλικά. Αλλά οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν πλήρως αυτή τη διαδικασία. Με άλλα λόγια, υπάρχει μεγάλο χάσμα στην ανθρώπινη γνώση ανάμεσα στη γενετική και την ανατομία του ολοκληρωμένου δημιουργήματος.

«Υπάρχουν τόσα πολλά θεμελιώδη πράγματα που δε γνωρίζουμε για το πώς μορφοποιείται η ανατομία και αυτό γίνεται κάτι περισσότερο από προφανές στην υγεία και την ασθένεια,» δήλωσε η Kathryn Richmond, Ph.D., Διευθύντρια του Ομίλου Paul G. Allen Frontiers, τμήματος του Ινστιτούτου Allen και διοργανώτρια της εκδήλωσης της περασμένης εβδομάδας. «Με νέα εργαλεία και νέες προσεγγίσεις μοντελοποίησης και απεικόνισης, είναι πραγματικά η κατάλληλη στιγμή να θέτουμε αυτά τα ερωτήματα και να αποκαλύπτουμε κάποια από τη σκοτεινή ύλη που καλύπτει το γιατί τα πράγματα λειτουργούν έτσι όπως το κάνουν.»

Ζώα που ποτέ δε σταματούν να αναπτύσσονται

Δύο από τους ομιλητές του συνεδρίου κάλυψαν το πεδίο της αναπαραγωγικής βιολογίας. Πολλά ζώα —κάποια αμφίβια, σκουλήκια και ψάρια— μπορούν να αναπαράγουν μέλη του σώματος τους που έχουν υποστεί ακρωτηριασμό. Ορισμένα, όπως οι βάτραχοι, χάνουν την ικανότητα αυτή καθώς μεγαλώνουν αλλά κάποια, όπως τα χαριτωμένα αξολότλ , μπορούν να αναγεννήσουν τα άκρα τους κατά τη διάρκεια της ενηλικίωσης.

«Οφείλουμε να γνωρίζουμε πώς συμβαίνει αυτό, ώστε να αξιοποιήσουμε τέτοια είδη στοιχείων στην ιατρική του μέλλοντος,» είπε η Jessica Whited, Ph.D., βιολόγος που μελετά την αναπλαστική ικανότητα του αξολότλ στο Πανεπιστήμιο Harvard και στο Allen Discovery Center του Πανεπιστημίου Tufts.

Θα μπορούσατε να πραγματευτείτε την ανάπλαση του άκρου ενός ζώου σαν την κατασκευή μιας συναρμολογούμενης βιβλιοθήκης, είπε η Whited. Θα χρειαστείτε ένα σετ εργαλείων, τα κομμάτια που την απαρτίζουν, ένα εγχειρίδιο οδηγιών και το κατάλληλο περιβάλλον. Όλα αυτά που υπάρχουν στο σώμα του αξολότλ, απλά δεν τα έχουμε αξιοποιήσει πλήρως ακόμη.

Η Whited μελετά το βλάστημα [blastema] —μια ειδική, ταχέως αναπτυσσόμενη δομή που σχηματίζεται στη θέση του χαμένου άκρου και που φαίνεται να διατηρεί τον έλεγχο όλων αυτών των κατασκευαστικών μερών στο εσωτερικό της ( σ.33). Οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι ένα βλάστημα μεταμοσχευμένο σε άλλο σημείο ή σε άλλο ζώο μπορεί να αναγεννήσει ένα άκρο εξίσου εύκολα όπως στη μητρική του θέση. Η Whited και η ομάδα της, έχουν εντοπίσει μερικά από τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τις φανταστικές ικανότητες αναγέννησης αυτής της δομής και διαπίστωσαν ότι τα ανοσοκύτταρα φαίνεται να διαδραματίζουν επίσης σημαντικό ρόλο.

Ο Michael Levin, Ph.D., διευθυντής του Allen Discovery Center στο Πανεπιστήμιο Tufts και διοργανωτής του συμποσίου, μελετά επίσης την αναγέννηση και τη σωματομορφή, από μια ελαφρώς διαφορετική σκοπιά, εστιάζοντας στο πώς η εξέλιξη εκμεταλλεύεται τους νόμους της φυσικής και της υπολογιστικής ώστε να καθιστά ικανά τα κύτταρα να γνωρίζουν τι να χτίσουν και πότε να σταματήσει η αναδιαμόρφωση. Τόσο στον πλανάριο σκώληκα, όσο και στους γυρίνους και τα νεαρά βατράχια, ο Levin και η εργαστηριακή ομάδα του έχουν διαπιστώσει ότι τα ηλεκτρικά μοτίβα του σώματος είναι εξαιρετικά σημαντικά.

Έχουμε την τάση να σκεφτόμαστε τον βιοηλεκτρισμό στο πλαίσιο των νευρώνων και των ηλεκτρικών συνάψεων, αλλά αποδεικνύεται ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα μπορεί να είναι ακόμη πιο συνυφασμένα και αρχαία σε ό,τι έχει να κάνει με την ίδια τη ζωή. Η ομάδα του Levin βρήκε ότι ένα συγκεκριμένο μοτίβο ηλεκτρικών φορτίων σε πολύ πρώιμα έμβρυα φαίνεται να κατευθύνει τον σχηματισμό εγκεφάλου σε γυρίνους. Με τη βοήθεια της υπολογιστικής μοντελοποίησης, ήταν σε θέση να χειριστούν αυτό το βιοηλεκτρικό μοτίβο για να επιδιορθώσουν σοβαρές γενετικές ανωμαλίες του εγκεφάλου και του προσώπου, εξαιτίας μεταλλάξεων ή έκθεσης σε χημικά που προκαλούν ελαττώματα. Έχουν επίσης κατασκευάσει σκουλήκια που αναπτύσσουν διπλά κεφάλια ή γυρίνους που μεγαλώνουν μάτια στην κοιλιά τους, απλά χειραγωγώντας τα φυσιολογικά βιοηλεκτρικά μοτίβα των ζώων.

«Αυτή η αξιοσημείωτη ανατομική πλαστικότητα υπάρχει σε πολλαπλά επίπεδα οργάνωσης, επιτρέποντας στους ιστούς να αποθηκεύουν πληροφορίες σχετικά με την ανατομία που πρέπει να έχουν,» δήλωσε ο Levin. «Η βιοηλεκτρική σηματοδότηση είναι το κλειδί για την ανάγνωση αυτών των μνημονικών ιχνών και την επανεγγραφή τους, επιτρέποντας στα κύτταρα να κατασκευάσουν με διαφορετικές προδιαγραφές.»

Το σχήμα των μικροσκοπικών πραγμάτων

Ο Will Ratcliff, Ph.D., εξελικτικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Georgia, θέλει να κατανοήσει την εξέλιξη της πολυκυτταρικότητας . Πώς φθάσαμε από τους μονοκύτταρους προγόνους μας σε μεγάλες συγκεντρώσεις πολλαπλών εξειδικευμένων κυττάρων; Η πολυκύτταρη ζωή έχει εξελιχθεί σε τουλάχιστον 25 διαφορετικές περιόδους στην ιστορία του πλανήτη μας.

Ο Ratcliff και η ομάδα του προκάλεσαν αυτή την εξέλιξη να συμβεί στο εργαστήριο αναζητώντας μεταλλάξεις που κάνουν τη μονοκύτταρη ζύμη αρτοποιΐας να γίνει ένα πολυκύτταρο πλάσμα. Βρήκαν μια τέτοια μετάλλαξη που προκαλεί την ανάπτυξη της ζύμης σε μια μάζα που μοιάζει με νιφάδα χιονιού, όπου τα κύτταρα μένουν συγκολλημένα όταν διαιρούνται, αντί να διαχωρίζονται τελείως. Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν αν μια παρόμοια κολλώδης μετάλλαξη είναι αυτό που προκάλεσε τη δική μας πολυκυτταρικότητα, αλλά διαπίστωσαν ότι μόλις δημιουργήθηκε η ζύμη-χιονονιφάδα, άρχισε γρήγορα να αποκτά νέες μεταλλάξεις που υποστήριζαν το νέο, μεγαλύτερο μέγεθός της.

Ακόμα και μονοκύτταρα πλάσματα μπορούν να δημιουργούν ενδιαφέροντα σχήματα. Εδώ, βακτηριακά κύτταρα ενώνονται για τον σχηματισμό βιομεμβράνης, μιας κοινότητας κυττάρων που δρουν συλλογικά. _ Image courtesy of Arthur Prindle, Ph.D.

Ο Arthur Prindle, Ph.D., βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Northwestern, περιέγραψε έρευνα σχετικά με απαντώμενα στη φύση κολλώδη μεμονωμένα κύτταρα: τις βακτηριακές βιομεμβράνες . Ο Prindle και οι συνάδελφοί του έχουν διαπιστώσει ότι, όπως τα πλανάρια και οι γυρίνοι, τα βακτηριακά βιοφίλμ βασίζονται σε ηλεκτρικά σήματα για να επικοινωνούν και να ρυθμίζουν το σχήμα τους. Τα μονοκύτταρα ζώα στέλνουν ηλεκτρικούς παλμούς από ένα μέρος της ταινίας σε ένα άλλο για να σηματοδοτήσουν τα υψηλά ή χαμηλά επίπεδα τροφίμων, γεγονός που αλλάζει τα πρότυπα ανάπτυξης της κοινότητας.

Προτυποποίηση της ζωικής μορφής

Πολλοί από τους ομιλητές του συμποσίου στρέφονται στα μαθηματικά για να προσπαθήσουν να αποτυπώσουν τους κανόνες που διέπουν τη μορφή της ζωής. Ο Dagmar Iber, Ph.D., υπολογιστικός βιολόγος [υπολογιστική βιολογία   ] στο ETH Zurich, χρησιμοποιεί μαθηματικά μοντέλα για να μελετήσει τέτοιες μεταβαλλόμενες μορφές ζωής όπως φτερά φρουτόμυγας (fruit fly), πνεύμονες, νεφρά και επιθήλια θηλαστικών, τον λεπτό ιστό που επενδύει κοιλότητες και πολλά από τα όργανα του σώματός μας. Διαπίστωσε ότι τα πρότυπα διακλάδωσης σε πνεύμονες και νεφρούς θηλαστικών, καθώς μεγαλώνουν ακολουθούν τις ίδιες γενικές αρχές με τις κηλίδες της λεοπάρδαλης, μια μαθηματική αρχή γνωστή ως μηχανισμός ή πρότυπο Turing [Turing pattern ].

«Είναι καθησυχαστικό να παρατηρούμε πότε η φύση υπακούει στα μαθηματικά,» δήλωσε ο Iber.




Provided by

How do living creatures take shape?

Think of the shape of life. Living creatures have forms ranging from a tiny rod-shaped bacterium, to a wrinkled, tusked behemoth of an elephant, to a tendrilled, branching vine.

How does that happen? What are the biological rules that underwrite life’s intricate and beautifully varied forms? How do single cells and multicellular organisms adjust to changing circumstances, in some cases regenerating structures after significant damage?

Last week, an international group of researchers gathered at the Allen Institute to present and discuss their attempts to answer those questions. The symposium, titled “Exploring Frontiers: Nature’s Blueprint,” brought together scientists who study plants, animals, bacteria, and even synthetic life under the umbrella of morphogenesis, the often-mysterious biological processes that allow biological structures to create and maintain complex shape.

In a broad sense, some think of DNA as the blueprint of life, but that might not be the full picture, said biologist Wallace Marshall, Ph.D., one of the symposium speakers whose University of California, San Francisco, laboratory team studies the trumpet-shaped microscopic organism known as Stentor.

A blueprint tells its users exactly where to put all the parts and what the finished product should look like. “DNA is more like a recipe book with a list of ingredients but no pictures,” Marshall said. “That’s fine if you’re making soup, but what if you’re making beef wellington?”

Creatures obviously know how to build themselves from their starting materials. But scientists still don’t understand that process fully. In other words, there’s a deep chasm in human knowledge between genetics and a creature’s finished anatomy.

“There are so many fundamental things we don’t know about how anatomy is formed, and that’s more than evident in health and disease,” said Kathryn Richmond, Ph.D., Director of The Paul G. Allen Frontiers Group, a division of the Allen Institute and host of last week’s event. “With new tools and new modeling and visualization approaches, it’s really a perfect time to be asking these questions and revealing some of that dark matter of why things work the way they do.”

Animals that never finish growing

Two of the symposium’s speakers covered the topic of regenerative biology. Several animals – some amphibians, worms and fish – can regrow amputated body parts. Some, like frogs, lose the ability as they get older, but some, like the cheery-looking axolotl, can regenerate limbs through adulthood.

“We have to know how that happens to harness these kinds of clues for regenerative medicine in the future,” said Jessica Whited, Ph.D., a biologist who studies axolotl regeneration at Harvard University and the Allen Discovery Center at Tufts University.

You could look at an animal’s regrowth of a limb like the construction of an Ikea bookcase, Whited said: You need a set of tools, the building blocks, an instruction manual, and the right environment. All of that is built into the axolotl’s body, we just haven’t tapped into most of it.

Whited studies the blastema, a special fast-growing structure that forms at the site of a missing limb and which seems to hold all those construction parts in itself. Researchers have found that a blastema transplanted to another location or another animal can regrow a limb just as easily as in its native location. Whited and her team have identified some of the genes responsible for this structure’s fantastical regrowth abilities and found that immune cells seem to play an important role as well.

Michael Levin, Ph.D., director of the Allen Discovery Center at Tufts University and organizer of the symposium, also studies regeneration and body form, with a slightly different twist, focusing on how evolution exploits the laws of physics and of computation to enable cells to know what to build and when to stop remodeling. In both the flatworm known as Planaria and in tadpoles and baby frogs, Levin and his laboratory team have found that the body’s electrical patterns are incredibly important.

We tend to think of bioelectricity in the context of neurons and electrical synapses, but it turns out that electrical currents may be even more interwoven and ancient to life itself. A specific pattern of electrical charges in very early embryos seems to direct tadpole brain formation, Levin’s team found. With the help of computational modeling, they were able to manipulate that bioelectric pattern to repair severe birth defects of the brain and face caused by mutations or exposure to defect-triggering chemicals. They have also engineered worms to grow double heads or tadpoles to grow eyes on their guts just by manipulating the animals’ normal bioelectric patterns.

“There’s this remarkable anatomic plasticity at multiple levels of organization, which enables tissues to store information about the anatomy they should have,” Levin said. “Bioelectric signaling is key to reading out these pattern memories and rewriting them, allowing cells to build to a different spec.”

The shape of tiny things

Will Ratcliff, Ph.D., an evolutionary biologist at the Georgia Institute of Technology, wants to understand the evolution of multicellularity. How did we go from our single-celled ancestors to large assemblies of multiple specialized cells? Multicellular life has evolved at least 25 different time’s in our planet’s history.

Ratcliff and his team forced that evolution to happen in the lab by looking for mutations that cause the single-celled baker’s yeast to become a multicellular creature. They found such a mutation that causes the yeast to grow in a “snowflake”-like conglomerate, the cells sticking together when they divide rather than completely separating. The researchers don’t know if a similar sticky mutation is what gave rise to our own multicellularity, but they did find that once the snowflake yeast arose, they quickly started gaining new mutations that supported their new larger size.

Arthur Prindle, Ph.D., a biologist at Northwestern University, described research on naturally occurring sticky single cells: bacterial biofilms. Prindle and his colleagues have found that, like planaria and tadpoles, bacterial biofilms rely on electrical signals to communicate and set their shape. The single-celled animals send electrical pulses from one part of the film to another to signal when food levels are high or low, which changes the community’s growth patterns.

Modeling life’s form

Many of the symposium’s speakers turn to math to try to capture the rules of life’s shape. Dagmar Iber, Ph.D., a computational biologist at ETH Zurich, uses mathematical models to study such varied life forms as fruit fly wings, mammalian lungs and kidneys, and epithelia, the thin tissue linings of many of our organs. She found that the branching patterns of mammalian lungs and kidneys as they grow follow the same general principles as leopard’s spots, a mathematical principle known as a Turing mechanism.

“It’s reassuring to see when nature abides by mathematics,” Iber said.


Εικόνα εξωφύλλου:

Sun flower sea star regenerates its arms/wikimedia commons