Mezinárodní tým vedený Ženevskou univerzitou a Evropskou laboratoří molekulární biologie v Heidelbergu, známou jako EMBL, záměrně změnil vzhled larev hlístic tím, že manipuloval s pouhými pěti biofyzikálními vlastnostmi jejich tkání. Výsledky jsou fascinující.

Výsledky publikované v časopise Cell ukazují, že tyto mechanické vlastnosti umožňují předpovědět konečný tvar živočicha přesněji než pouhé studium genomu.

Přístup, který má více než stoletou inspiraci

Myšlenka, že fyzikální zákony podmiňují tvar živých organismů, není nová. Před více než sto lety biolog a matematik D’Arcy Thompson navrhl, že pro pochopení morfologie živočichů jsou zásadní fyzikální principy na mezilehlém měřítku – mezoskopické měřítko, fenomén na půl cesty mezi molekulárním a makroskopickým měřítkem. „Myslím, že hlavním úspěchem této studie je prokázání významu přístupu k morfologické evoluci z hlediska mezoskopických fyzikálních principů, což je myšlenka, kterou před více než sto lety navrhl D’Arcy Thompson a kterou naše studie nyní uvádí do praxe,„ řekl Nicolas Cuny, postdoktorand Salbreuxovy skupiny a jeden z autorů článku.

Přenesení tohoto předpokladu do laboratoře však vyžadovalo více než sto let technologického pokroku. Nyní se vědcům konečně podařilo tyto síly kvantifikovat a experimentálně ověřit, že po úpravě larvy mění tvar přesně tak, jak modely předpovídají.

Šest druhů, dva klíčové znaky a tři určující moduly

Tým pracoval se šesti druhy hrotnatců: dvěma sasankami, dvěma korály a dvěma hydrozoany, z nichž jeden prochází během svého životního cyklu fází medúzy. Tito živočichové jsou pro tento typ výzkumu ideální díky své relativní strukturální jednoduchosti, která umožňuje popsat jejich vzhled pomocí dvou jasných znaků: axiálního prodloužení, tj. jak moc je tělo prodloužené, a polarity, která udává, jak moc se od sebe liší oba konce organismu. Oba znaky se u jednotlivých druhů značně liší a podle odborníků je nelze předvídat pouze na základě analýzy genomu.

Po podrobném studiu larev šesti druhů vědci identifikovali tři hlavní mechanické moduly, které mají největší vliv na tvar:

Bazální nematické aktivní napětí, které vzniká z uspořádání a orientace vláken složených z bílkovinného komplexu zvaného aktomyozin, zodpovědného za buněčnou kontrakci. Geometrie ústní dutiny, definovaná úhlem a poloměrem otvoru odpovídajícího ústům zvířete. A regionální ohybová tuhost, tj. odpor, který klade konec naproti ústům při pokusu o jejich ohnutí.

Kromě těchto tří dominantních faktorů existují ještě dva další s jemnějším vlivem: aktivní ohybový moment, který souvisí se stahováním myozinových bílkovin, a profil tloušťky ektodermu, který odráží, jak se mění tloušťka vnější vrstvy těla podél osy zvířete.

Formování zvířete jako modelíny

Příliš redukcionistická vysvětlení málokdy vedou k dobrým odpovědím. Určitá míra zjednodušení je nutná, abychom se vypořádali s překypující pluralitou, kterou svět zřejmě vykazuje, ale problém spočívá v nalezení správné úrovně. Nejsme jen naše geny; jsme výsledkem interakce mezi genetikou a prostředím. Jaké faktory prostředí si ale zaslouží být zahrnuty do rovnice? Studie nabízí konkrétní odpověď tím, že identifikuje fyzikální síly, které formují živá těla.

Pro ilustraci použijme jednoduchou analogii: můžeme dokonale znát návod na výrobu kuliček, ale pokud je budeme skládat na hromadu v místnosti, abychom věděli, jaký tvar budou mít jako celek, musíme pochopit, jaké fyzikální vztahy mají mezi sebou a gravitací. Nakonec nebudou součtem dokonale kulovitých kuliček, ale deformací, které v sobě navzájem vyvolávají. Buňky embrya fungují podobně: genetické instrukce se odvíjejí ve fyzikálním prostředí, které je moduluje a podmiňuje.

Kde genetika znovu vstupuje do hry

Po identifikaci pěti modulů byla dalším krokem jejich řízená modifikace s cílem zjistit, zda se prodlužování a polarita larev mění podle předpovědí modelu. A zde přichází ke slovu genetika: vědci vědí, které geny řídí například orientaci aktomyozinových vláken nebo úhel ústního otvoru. Biofyzikální vlastnosti tak fungují jako prostředníci mezi genomem a pozorovatelným tvarem a poskytují rámec, který usnadňuje rozlišit, k čemu který faktor přispívá.

„Porovnávání genomů může odhalit genetické rozdíly spojené s tvarovou rozmanitostí, ale geny nám nemohou říci, jak se morfogeneze vyvíjí,“ upozornil Aissam Ikmi, vedoucí skupiny v EMBL Heidelberg a jeden z hlavních autorů studie. „I když máme v ruce genom, stále nemůžeme předpovědět konečnou podobu organismu.„

Otevřená cesta ke složitějším organismům

Tým již oznámil, že rozšiřuje výzkum na stadium polypů hlístic, tedy stadium, které následuje po larválním stádiu. Přestože mezi těmito bezobratlými a obratlovci – včetně člověka – je propastný rozdíl ve složitosti, studie pokládá základy pro nový přístup, který by mohl být aplikován na postupně složitější organismy a nově definovat naše chápání toho, jak fyzika a biologie spolupracují při utváření života.