Biologové a matematici z MIT odhalují, jak se vajíčka tak zvětšují

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Uznání: Jasmine Imran Elsus

Růst vajec závisí na fyzikálních jevech, které brání menším buňkám vysypávat jejich obsah do větší buňky.

Vaječné buňky jsou zdaleka největší buňky produkované většinou organismů. U lidí jsou několikanásobně větší než typické buňky těla a 10 000krát větší než spermie.

Experiment s prouděním vzduchu balónem

Vědci prokázali, že „ošetřovatelské buňky“, které obklopují mnohem větší vejce, vrhají svůj obsah do větší buňky, stejně jako vzduch proudí z menšího balónku do větší buňky, když je připojen pomocí malých trubiček v experimentálním poli, jak je zde ukázáno. Zápočet: s laskavým svolením výzkumníků

Existuje důvod, proč jsou vaječné buňky nebo vajíčka tak velká: potřebují ukládat dostatek živin na podporu rostoucího plodu po oplodnění, plus mitochondrie, které celý tento růst podporují. Biologové však stále nerozumí úplnému obrazu toho, jak se vaječné buňky tak zvětšují.

Nová studie u ovocných mušek, tým S Biologové a matematici zjistili, že proces, při kterém vajíčko výrazně a rychle roste před oplodněním, závisí na fyzikálních jevech, které odpovídají výměně plynů mezi balónky různých velikostí. Vědci konkrétně prokázali, že „ošetřovatelské buňky“ obklopující mnohem větší vejce vrhají svůj obsah do větší buňky, stejně jako vzduch proudí z menšího balónku do větší buňky, když je připojen pomocí malých trubiček v experimentálním poli.

„Výzkum ukazuje, jak se fyzika a biologie spojují a jak příroda může pomocí fyzických procesů vytvořit tento mocný mechanismus,“ říká Yoran Dunkel, docent fyzikální aplikované matematiky. „Pokud se chcete vyvíjet jako plod, jedním z cílů je zajistit, aby byly věci velmi dobře obnovitelné, a fyzika poskytuje velmi účinný způsob, jak dosáhnout určitých přepravních procesů.“

Dunkel a Adam Martin, docent biologie na MIT, jsou staršími autory článku, kteří se tento týden objevili v příspěvku Postupy Národní akademie věd. Hlavními autory studie jsou postdoktorandka Jasmine Imran Elsus a postgraduální studentka Nicola Romeo. Jonathan Jackson, postgraduální student na Harvardově univerzitě, a Frank Mason, odborný asistent výzkumu na Lékařské fakultě Vanderbilt University, jsou rovněž autory článku.

Fyzický proces

U ženských ovocných mušek se vajíčka vyvíjejí v buněčných shlucích nazývaných cysty. Nezralé vejce podstoupí čtyři cykly buněčného dělení, aby vytvořilo jednu vaječnou buňku a 15 ošetřovatelských buněk. Separace buněk je však neúplná a každá buňka zůstává připojena k druhé úzkými kanály, které slouží jako ventily, které umožňují materiálu procházet mezi buňkami.

Členové Martinovy ​​laboratoře začali tento proces studovat kvůli jejich velkému zájmu o myosin, typ proteinu, který může sloužit jako motory a pomáhat svalovým buňkám stahovat se. Imran Alsus provedl živé zobrazení formace vaječných much ve vysokém rozlišení a zjistil, že myosin hraje určitou roli, ale až ve druhé fázi transportního procesu. V rané fázi byli vědci překvapeni, když viděli, že buňky vůbec nezvýšily kontrakci, což naznačuje, že transport zahájil jiný mechanismus než „mačkání“.

„Obě etapy jsou pozoruhodně jasná,“ říká Martin. „Poté, co jsme to viděli, jsme byli šokováni, protože na začátku tohoto procesu skutečně nedošlo k žádné změně myosinu, a to jsme očekávali.

Sesterské buňky létají ovoce a mačkají

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Zápočet: MIT

Martin a jeho laboratoř poté spojili své síly s Dunkelem, který studoval fyziku měkkých povrchů a tekoucí hmoty. Dunkel a Romeo přemýšleli, jestli by se buňky mohly chovat stejně, jako by se chovaly balóny různých velikostí, když se spojí. I když můžete očekávat, že větší balón bude prosakovat vzduch do menšího, dokud nebude mít stejnou velikost, ve skutečnosti se stane, že vzduch proudí z menšího do většího.

Je to proto, že menší balón, který má větší zakřivení, prožívá větší povrchové napětí, a tedy vyšší tlak, než větší balón. Proto musel vzduch vycházet z malého balónku do většího. „Není to intuitivní, ale je to velmi silný proces,“ říká Dunkel.

Vědci vytvořili odpovídající matematické rovnice, které již byly odvozeny za účelem vysvětlení „efektu dvou balónků“, a na základě jejich velikosti a vztahů vymodelovali, jak se obsah buněk přenáší z 15 malých sesterských buněk do velkého vajíčka. navzájem. Sesterské buňky ve vrstvě nejblíže vajíčku nejprve přenášejí svůj obsah, poté buňky ve vzdálenějších vrstvách.

„Poté, co jsme strávili nějaký čas vytvářením složitějšího modelu k vysvětlení problému s 16 články, jsme si uvědomili, že zjednodušení jednoduššího 16-balónkového systému je velmi podobné 16-článkové síti. Je překvapivé vidět, že takové intuitivní, ale jednoduché matematické nápady tak dobře popisují tento proces, “říká Romeo.

První fáze proliferace ošetřovatelských buněk se jeví jako konzistentní s kanály spojujícími buňky, aby byly dostatečně velké na to, aby jimi prošla cytoplazma. Jakmile jsou sesterské buňky zmenšeny na přibližně 25 procent jejich původní velikosti a zbývá jim jen trochu více jejich jader, aktivuje se druhá fáze procesu a myosinové kontrakce nutí zbývající obsah sesterských buněk do vaječné buňky.

„V první části procesu dochází k velmi malému mačkání a buňky se jednoduše rovnoměrně smršťují. Pak tento druhý proces přichází ke konci, kdy začnete mít aktivnější mačkání nebo peristaltické zkreslení buňky, které dokončí vylučování proces, “říká Martin.

Spolupráce s buňkami

Zjištění ukazují, jak mohou buňky koordinovat své chování jak biologickými, tak fyzickými mechanismy, aby dosáhly chování na úrovni tkáně, říká Imran Elsus.

„Tady máte nějaké ošetřovatelské buňky, jejichž úkolem je pečovat o budoucí vaječnou buňku, a zdá se, že tyto buňky přenášejí svůj obsah koordinovaně a cíleně do vajíčka,“ říká.

Vědci tvrdí, že vejce a časný embryonální vývoj u ovocných mušek a jiných bezobratlých jsou podobné jako u savců, ale není známo, zda lze stejný mechanismus růstu vaječných buněk pozorovat u lidí nebo jiných savců.

„U myší existují důkazy, že se vajíčko vyvíjí jako cysta s jinými spojenými buňkami a že mezi nimi existuje určitý transport, ale nevíme, zda mechanismy, které zde vidíme, fungují u savců,“ říká Martin.

Vědci nyní zkoumají, co způsobuje nástup druhé fáze aktivované myosinem. Zkoumají také, jak mohou změny v původní velikosti ošetřovacích buněk ovlivnit tvorbu vajíček.

Odkaz: „Dynamika vedení hydraulických kapalin a smršťování vln během orosení Drosophila“ Jasmine Imeran Alsus, Nicola Romeo, Jonathan A. Jackson, Frank M. Mason, Jordan Dunkel a Adam C. Martin, 2. března 2021, Postupy Národní akademie věd.
DOI: 10.1073 / pnas.2019749118

Studie byla financována z Národního institutu všeobecných lékařských věd, ceny James S. Foundation Complex Systems Scholarship Award. McDonald a Distinguished Scholarship Fund Robert A. Collins.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Tající ledové listy způsobují, že hladiny moře vzrostou až na 18 metrů

Je dobře známo, že zvýšení hladiny moře způsobené klimatem je hlavní hrozbou. Nový výzkum zjistil, že předchozí události ztráty ledu by mohly způsobit...

Sledujte teplo a hledejte stopy k planetární evoluci

Kosmická loď NASA Galileo zachytila ​​Jupiterův měsíc Io, třetí největší satelit na Zemi, podstupující sopečnou erupci. Zkroucená oběžná dráha Io ji vrhá do neustálého...

Viry bez chřipky mají onemocnění podobné chřipce a úmrtnost

Non-chřipkové respirační virové infekce (NIRV) jsou spojeny s chřipkovými chorobami a úmrtností u hospitalizovaných dospělých, podle nové studie v CMAJ (Journal of Canadian Medical...

V období křídy se Severní Amerikou potulovalo 2,5 miliardy T. Rexes

Analýza toho, co je o dinosaurovi známo, vede k závěru, že jich bylo v průběhu času 2,5 miliardy. Jako mnoho Tyrannosaurů se Rexes potuloval v...

Vědci vizualizují pohyb vírů v kvantové supratekuté turbulenci

Obrázek ukazuje kvantové vírové trubice, které podléhají zjevné superdifúzi. Bílé tečky představují zachycené částice, které vědci sledovali, aby vizualizovali a sledovali pohyb trubic,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.