چگونه اندام های ما متوجه می شوند که چه زمانی رشد خود را متوقف کنند؟ یک تیم چند رشته ای به رهبری محققان UNIGE و MPIPKS با یک معادله ریاضی معمای تغییر اندازه اندام بسته به اندازه حیوان را حل کرده اند. —

سلول های یک بافت در حال توسعه تکثیر می شوند و خود را تحت تأثیر مولکول های سیگنال دهنده، مورفوژن ها، سازمان می دهند. اما چگونه می دانند که چه اندازه ای برای موجود زنده ای که به آن تعلق دارند مناسب است؟ گروه‌های تحقیقاتی مارکوس گونزالس-گایتان، پروفسور گروه بیوشیمی دانشکده علوم UNIGE و فرانک جولیچر، مدیر دانشگاه MPIPKS در درسدن، با دنبال کردن یک مورفوژن خاص در سلول‌های بافت‌هایی با اندازه‌های مختلف، این معما را حل کرده‌اند. در مگس میوه مگس سرکه.

در مگس سرکه، مورفوژن Decapentaplegic (DPP)، یک مولکول مورد نیاز برای تشکیل 15 زائده (دکا-پنتا) (بال، آنتن، فک پایین…) از یک منبع موضعی در بافت در حال رشد منتشر می‌شود و سپس شیب غلظت رو به کاهشی را تشکیل می‌دهد. (یا تغییرات تدریجی) با دور شدن از منبع. در مطالعات قبلی، گروه مارکوس گونزالس-گایتان، با همکاری تیم آلمانی، نشان داده‌اند که این گرادیان‌های غلظت DPP بسته به اندازه بافت در حال رشد، در یک منطقه بزرگ‌تر یا کوچک‌تر گسترش می‌یابند. بنابراین، هرچه یک بافت کوچکتر باشد، انتشار گرادیان DPP از منبع انتشار آن کمتر است. از طرف دیگر، هرچه یک بافت بزرگتر باشد، گسترش گرادیان مورفوژن DPP بیشتر است. با این حال، این سوال باقی ماند که چگونه این گرادیان غلظت به اندازه در حال رشد بافت/ اندام آینده تغییر می کند.

یک رویکرد چند رشته ای برای حل یک سوال بیولوژیکی

مارکوس گونزالس-گایتان می‌گوید: «رویکرد اصلی تیم من، متشکل از زیست‌شناسان، بیوشیمی‌دانان، ریاضی‌دانان و فیزیکدانان، تجزیه و تحلیل آنچه در سطح هر سلول اتفاق می‌افتد، به جای قرار دادن مشاهدات ما در مقیاس بافت است». فرانک جولیچر می گوید: «نکته اصلی این است که با ماده زنده به گونه ای برخورد کنیم که انگار فقط ماده است، یعنی مطالعه زیست شناسی با اصول فیزیک». دو تیم یک باتری از ابزارهای پیچیده را برای پیگیری سرنوشت مولکول DPP در داخل و بین سلول‌های بافت با دقت بالا با استفاده از تکنیک‌های میکروسکوپ کمی توسعه داده‌اند. این ابزارها به ما این امکان را می‌دهند که پارامترهای زیادی را که به فرآیندهای سلولی مرتبط هستند، برای این مورفوژن تعریف کنیم. به عنوان مثال، ما کارایی اتصال آن به سلول‌ها، نفوذ در داخل سلول‌ها، تخریب یا بازیافت توسط سلول را قبل از انتشار اندازه‌گیری کردیم. به طور خلاصه، ما تمام مراحل مهم انتقال DPP را اندازه‌گیری کردیم.

مکانیسم مقیاس بندی با یک معادله ریاضی توضیح داده شده است

دانشمندان تمام این داده‌ها را در مورد DPP در سلول‌های متعلق به بافت‌هایی با اندازه‌های مختلف در مگس‌های معمولی و جهش‌یافته‌هایی که مقیاس‌پذیری نداشتند، جمع‌آوری کردند. آنها دریافتند که این مراحل مختلف حمل و نقل فردی است که میزان گرادیان را تعیین می کند. بنابراین، در یک بافت کوچک، مولکول DPP عمدتاً از طریق انتشار در بین سلول ها پخش می شود. بنابراین غلظت آن به دلیل تخریب به سرعت در اطراف منبع خود کاهش می یابد و یک گرادیان باریک ایجاد می کند. از سوی دیگر، در بافت‌های بزرگ‌تر، مولکول‌های DPP که داخل سلول‌ها می‌روند نیز به شدت بازیافت می‌شوند و این امکان را فراهم می‌کنند که گرادیان را در یک منطقه بزرگ‌تر گسترش دهیم. ما در نهایت توانستیم یک نظریه بی طرفانه و یکپارچه از انتقال مورفوژن ارائه دهیم که به معادلات کلیدی سیستم می رسد و مکانیسم مقیاس بندی را آشکار می کند! ماریا رومانوا مشتاق است.

ترکیبی از فیزیک نظری و رویکردهای تجربی، که از مطالعه مولکول DPP در مگس سرکه ایجاد شده است، می‌تواند به مولکول‌های دیگری که در تشکیل بافت‌های در حال رشد مختلف دخیل هستند تعمیم یابد. «رویکرد تک‌رشته‌ای و چند رشته‌ای ما به ما اجازه می‌دهد تا پاسخی جهانی به یک سؤال زیست‌شناختی بنیادی ارائه کنیم که ارسطو تقریباً 2500 سال پیش از خود می‌پرسید: چگونه یک تخم‌مرغ می‌داند چه زمانی رشد را متوقف کند تا مرغ درست کند؟» مارکوس گونزالس-گایتان نتیجه گیری می کند.

منبع داستان:

مواد ارائه شده توسط دانشگاه ژنو. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.