به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان علم زیست‌شناسی سلولی تکوینی در تحقیقی نشان دادند که سلول‌های جدا شده از پوست جنین جوجه در یک ظرف آزمایشگاهی، به طورخود به خودی، مجدد خود را سازماندهی کردند. در واقع در طی 48 ساعت، نیروی کشش سلول‌ها به سمت یکدیگر باعث شد که این سلول‌ها به صورت فولیکول‌هایی برای تکوین پرها کنار هم جمع شوند. یکی از قدیمی‌ترین پرسش‌های موجود در زیست‌شناسی این است که چگونه یک موجود زنده که در ابتدا متشکل از یک حباب جنینی با سلول‌های یکنواخت است، در طول زمان به موجودی با بافت‌های متنوعی تبدیل می‌شود که هر کدام دارای الگو و ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود هستند؟ پاسخ می‌تواند با طرح سوال‌هایی اینطور توضیح داده شود که چگونه یک پلنگ دارای پوستی با الگوی لکه‌ای است و یا یک گورخر پوستی راه راه دارد؟ بنابراین اسرار زیادی در ارتباط با تکوین الگوها در زیست‌شناسی وجود دارد.

بیش از نیم قرن است‌ که در توضیح نحوه ایجاد الگوی تکوینی بافت‌ها، تنها یک مدل زیبا بر اساس سیگنال‌های شیمیایی که توسط ریاضیدان آلن تورینگ پیشنهاد شده است در این زمینه مطرح شده و خیلی هم موفق بوده است اما تعداد زیادی از دانشمندان گمان می‌کنند که نظریه تورینگ تنها بخشی از داستان است. ایمی شایر، زیست‌شناس تکوینی در دانشگاه راکفلر، می‌گوید: نیروهای فیزیکی مانند انقباض و فشردگی که بر روی سلول‌ها در حین رشد و تقسیم اثر می‌کنند نیز می‌توانند نقش اصلی را ایفا کنند.

نظریه تورینگ می‌تواند الگوهای بیولوژیکی بیشماری را توضیح دهد

در سال 1952، قبل از اینکه زیست شناسان تکوینی در مورد ژن‌های Hox و فاکتورهای رونویسی صحبت کنند یا حتی ساختار DNA را درک کنند، آلن تورینگ ایده‌ای داشت. ریاضیدان مشهوری که ذهن خود را به دنیای طبیعی معطوف کرد و یک مدل ریاضی ظریف از شکل‌گیری الگو ابداع کرد. تئوری او نشان می‌دهد که چگونه انواع بی‌پایانی از نوارها، لکه‌ها و فلس‌ها می‌توانند از تعامل دو عامل شیمیایی "مورفوژن" (مواد ریخت زایی مانند mRNA و پروتئین) پدیدار شوند. چندین دهه گذشت تا زیست شناسان به طور جدی فکر کنند که این نظریه ریاضی در واقع می‌تواند الگوهای بیولوژیکی بیشماری را توضیح دهد. مانند نحوه رشد موی پستانداران، پرهای پرندگان و حتی آن برآمدگی‌های روی سقف دهان، همگی از مکانیسم‌های تورینگ نشات می‌گیرند.

تنش‌های فیزیکی و تعیین الگو برای بافت‌های در حال تکوین

اکنون نتایج این مقاله در ماه می در ژورنال Cell منتشر شده است، شایر، نویسنده اول و همکار زیست شناس تکوینی او و آلن رودریگز به همراه سایر همکارانشان در این کار نشان دادند که نیروهای مکانیکی می‌توانند پوست جنین جوجه را وادار کنند تا فولیکول‌هایی را برای رشد پرها ایجاد کند. همانطور که کشش سطحی می‌تواند آب را به شکل حباب‌هایی روی سطح شیشه‌ای بکشد، تنش‌های فیزیکی درون جنین نیز می‌تواند الگوهایی را ایجاد کند که رشد و فعالیت ژن را در بافت های در حال رشد هدایت کند.

همانطور که یک ارگانیسم رشد می‌کند و تکوین پیدا می‌کند، سلول‌های بافت‌های آن به سمت یکدیگر و همینطور به روی داربست پروتئینی حمایت کننده (ماتریکس خارج سلولی) که به طور پیچیده به آن متصل هستند، کشیده شده و روی همدیگر فشار می آورند. برخی از محققان به دنبال این فرضیه هستند که آیا این این نیروها، همراه با تغییرات در فشار و استحکام سلول‌ها، ممکن است باعث شکل گیری و هدایت الگوهای پیچیده شود. با این حال، تا به امروز، هیچ مطالعه‌ای نتوانسته بود تأثیر نیروهای فیزیکی را از شیب مواد شیمیایی که در داخل بافت جریان دارد، جدا کند.

بیرون کشیدن یک الگو در روش آزمایش شده در این طرح

در آزمایشگاه مورفوژنز در دانشگاه راکفلر که شایر و رودریگز به طور مشترک سرپرستی آن را برعهده دارند، در آزمایشی ابتدا پوست جنین جوجه را جدا کردند و بافت را متلاشی کردند تا سلول‌ها را از هم جدا کنند. سپس قطره ای از محلول سلولی را در ظرف پتری ریختند و اجازه دادند در محیط کشت رشد کند. آن‌ها مشاهده کردند که سلول‌های پوست به صورت حلقه‌ای در کف ظرف خود سازماندهی می‌شوند - مانند یک نسخه دو بعدی از گلوله سلولی که جنین معمولاً به آن تبدیل می‌شود. سلول‌ها با ضربان و انقباض، فیبرهای کلاژن را در ماتریکس خارج سلولی که در اطراف خود جمع می‌کردند، می‌کشیدند. در طی 48 ساعت، الیاف به تدریج چرخیدند، به هم پیوستند و سپس یکدیگر را از هم جدا کردند و دسته‌هایی از سلول‌ها را تشکیل دادند که تبدیل به فولیکول‌های پر می‌شدند. در ادامه، این محققان با تنظیم سرعت انقباض سلولی و سایر متغیرها، نشان دادند که تنش فیزیکی در توده جنینی به طور مستقیم بر الگو تأثیر می‌گذارد. رودریگز گفت: "من فکر می‌کنم بزرگترین شگفتی در این روش بسیار پویا، نحوه تعامل سلول‌ها با ماتریکس خارج سلولی است که این الگوها را ایجاد می‌کند." ما متوجه شدیم که این یک رقص متقابل بین این دو است. کملی گفت: "این نشان می‌دهد که انقباض می‌تواند برای ایجاد الگو کافی باشد."

اول مکانیک، بعد ژن؟

تامپسون که یک ریاضیدان بود، در سال 1917 پیشنهاد کرده بود که نیروهای فیزیکی ممکن است رشد را در تمام طول مسیر هدایت کنند، درواقع تامپسون در کتاب رشد و شکل خود توضیح داد که چگونه نیروهای پیچشی بر شکل‌گیری شاخ و دندان موثر هستند، چگونه تخم‌ها و دیگر ساختارهای توخالی ظاهر می‌شوند.

مورفوژن‌ها به‌عنوان یک طرح مولکولی سبب ایجاد الگو‌های رشد می‌شوند

دو دانشمند زیست شناسان تکوینی، ایمی شایر و آلن رودریگز، که آزمایشگاه مورفوژنز در دانشگاه راکفلر را رهبری می کنند، فرض کردند که الگوهای رشد به عواملی بیش‌تر از شیب‌های شیمیایی توصیف شده توسط مدل کلاسیک تورینگ بستگی دارد، بنابراین لازم است این عوامل بررسی و کشف شوند. بنابراین ایده‌های تامپسون بعداً با توضیح تورینگ، که به تاثیر ژن‌ها مرتبط بود، تحت الشعاع قرار گرفت. تورینگ در مقاله‌ای در سال 1952 با عنوان «مبنای شیمیایی مورفوژنز» که دو سال قبل از مرگش منتشر شد، پیشنهاد کرد که الگوهایی مانند لکه‌ها، راه راه‌ها و حتی شکل‌های تراشیده شده استخوان‌ها در اسکلت، نتیجه یک گرادیان چرخشی از مواد شیمیایی به نام مورفوژن‌ها هستند. این مواد به طور ناموزون در سراسر سلول‌ها پخش شده‌اند و از طریق این مورفوژن‌ها سلول‌ها با هم تعامل دارند. مورفوژن‌ها که به‌عنوان یک طرح مولکولی عمل می‌کنند، در واقع برنامه‌های ژنتیکی را که باعث رشد انگشتان، ردیف شدن دندان‌ها یا سایر قسمت‌ها می‌شود، تحت تأثیر قرار می‌دهند.

نظریه تورینگ به دلیل سادگی در بین زیست شناسان تکوینی محبوب بود و به همین خاطر خیلی زود به یک قانون اصلی در زیست شناسی تکوینی تبدیل شد. اما شایر گفت، چیزی که هنوز باید کشف شود این است که اگر مورفوژن‌های شیمیایی باعث تکوین می‌شوند، دانشمندان باید بتوانند نشان دهند که یکی مقدم بر دیگری است، یعنی ابتدا مواد شیمیایی بوده و سپس الگوی مورد نظر. ولی او و رودریگز هرگز نتوانستند این را در آزمایشگاه نشان دهند. در سال 2017، آن‌ها برش‌های کوچکی از پوست جنین جوجه را برداشتند و از نزدیک مشاهده کردند که بافت در حال آماده‌سازی برای تشکیل فولیکول است. در همین حال، آنها فعال شدن ژن‌های دخیل در تشکیل فولیکول را دنبال کردند. چیزی که آنها دریافتند این بود که بیان ژن تقریباً همزمان با جمع شدن سلول‌ها اتفاق افتاد، نه قبل از آن.

شایر می‌گوید: " به‌جای «اول بیان ژن، سپس مکانیک»، به نوعی می‌توان گفت این مکانیک بود که این اشکال را ایجاد می‌کرد. زیرا بعداً، آنها نشان دادند که حتی حذف برخی از مواد شیمیایی تنظیم کننده ژن، این روند ایجاد الگو را مختل نمی‌کرد. بنابراین می‌توان گفت نیروهای مکانیکی یا فیزیکی از بیان ژن هم جلوتر است."

اهمیت نقش ماتریکس خارج سلولی در ایجاد الگو

شایر و رودریگز امیدوارند که کار و تحقیقات آینده آنها به روشن شدن نقش فیزیک و تعامل آن با مواد شیمیایی و ژن‌ها در طول تکوین کمک کند. ادوین مونرو، زیست‌شناس مولکولی در دانشگاه شیکاگو که در این مطالعه همکاری نداشت، گفت: «ما متوجه شده‌ایم که تمام بیان ژن‌های مولکولی، سیگنال‌دهی و تولید نیروها در حرکت سلولی به طور جدانشدنی با یکدیگر مرتبط هستند. مونرو فکر می‌کند که نقش ماتریکس خارج سلولی مهم‌تر از آن چیزی است که دانشمندان در حال حاضر تصور می‌کنند، بدین سبب مونرو و تیمش در حال شناخت نقش اصلی ماتریکس خارج سلولی در تکوین هستند. رودریگز گفت: " جفت شدن سلول‌ها و ماتریکس خارج سلولی به خودی خود یک ماده نرم و منعطف را تشکیل می‌دهند وهمینطور او معتقد است که تنظیم رشد و تکوین جنینی از طریق نیروهای خارج سلولی اتفاق می‌افتد".

تصمیمات تکوینی می‌تواند از طریق تعامل فیزیکی سلول ها با یکدیگر اتفاق بیافتد

 شایر می‌گوید: «ما قبلاً فکر می‌کردیم اگر فقط ژنوم را با عمق و دقت بیشتر و بیشتر مطالعه کنیم، همه ابهامات روشن می‌شود، اما «پاسخ به سؤالات مهم ممکن است تنها در سطح ژنوم نباشد». زمانی به نظر می‌رسید که تصمیمات تکوینی تنها از طریق فعل و انفعال ژن ها و محصولات آنها در سلول‌ها گرفته می شود، اما حقیقت در حال ظهور این است که "تصمیم گیری می تواند خارج از سلول و از طریق تعامل فیزیکی سلول‌ها با یکدیگر اتفاق بیافتد."

پایان مطلب/.

:REF

https://www.quantamagazine.org/embryo-cells-set-patterns-for-growth-by-pushing-and-pulling-20220712/

https://www.quantamagazine.org/ancient-turing-pattern-builds-feathers-hair-and-now-shark-skin-20190102