생물학에서 가장 긴 질문 중 하나는 균일 한 세포의 배아 덩어리로 시작하는 생물이 시간이 지남에 따라 다양한 조직을 가진 유기체로, 각각 고유 한 패턴과 특성을 가진 유기체로 변형되는 방법입니다. 대답은 표범이 어떻게 그 자리를 얻고, 얼룩말이 줄무늬를 얻고, 나무가 가지를 얻고, 생물학에서 패턴 발달에 대한 더 많은 신비를 얻는 방법을 설명합니다. 반세기 이상 동안, 선호 설명은 수학자 Alan Turing이 제안한 화학 신호를 기반으로 한 우아한 모델이었습니다.
그러나 점점 더 많은 과학자들은 튜링의 이론이 이야기의 일부일 뿐이라고 의심합니다. Rockefeller University의 발달 생물학자인 Amy Shyer는“제 생각에는 우리는 그 아름다움 때문에 단순히 얼마나 광범위하게 적용되어야하는지에 대해 눈을 멀게했습니다. 그녀의 관점에서, 세포가 자라면서 분열 될 때 세포에 작용하는 물리적 수축과 압축의 힘도 중심적인 역할을 할 수 있습니다.
그리고 지금 그녀는 그것에 대한 증거를 가지고 있습니다. Cell 에 출판 된 논문에서 5 월, 그녀의 공동 저자이자 동료 발달 생물 학자 Alan Rodrigues와 동료 인 Shyer는 기계적 힘이 배아 닭 피부를 유도하여 깃털을 재배하기위한 모낭을 만들 수 있음을 보여주었습니다. 표면 장력이 유리 표면의 구형 구슬로 물을 끌어낼 수있는 것처럼, 배아 내의 물리적 장력도 조직 발달에서 성장과 유전자 활동을 안내하는 패턴을 설정할 수 있습니다.
유기체가 성장하고 발달함에 따라, 조직의 세포는 서로를 당기고 서로 밀고,지지 단백질 스캐 폴딩 (세포 외 매트릭스)을 복잡하게 연결합니다. 일부 연구자들은 세포의 압력과 강성의 변화와 함께 이러한 힘이 복잡한 패턴의 형성을 지시 할 수 있다고 의심했다. 그러나 지금까지, 그들이 끓는 화학 스튜에서 이러한 물리적 힘의 효과를 괴롭히는 연구는 없었습니다.
패턴을 꺼내는
Rockefeller University의 형태 형성 실험실에서 Shyer와 Rodrigues는 닭 배아에서 피부를 제거하고 조직을 분해하여 세포를 분리했습니다. 그런 다음 그들은 세포 용액 한 방울을 페트리 접시에 넣고 문화에서 자랍니다. 그들은 피부 세포가 접시 바닥의 고리로 자체 조직되는 것처럼 보았습니다. 맥동 및 수축, 세포는 세포 외 매트릭스에서 콜라겐 섬유를 잡아 당겼다. 48 시간 이상, 섬유는 점차적으로 회전하고 서로 묶인 다음 서로 밀어내어 깃털 여포가 될 수있는 세포를 형성했습니다.
존스 홉킨스 대학교 (Johns Hopkins University)의 생물 물리학자인 브라이언 캐 클리 (Brian Camley)는“이것은 깨끗하고 간단한 실험 설정으로 아름다운 패턴이 나오고 정량적으로 통제 할 수있었습니다.
나중에, 세포 수축 속도 및 기타 변수를 조정함으로써, 연구자들은 배아 덩어리의 물리적 장력이 패턴에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여 주었다. Rodrigues는“가장 큰 놀라움은 세포가 이러한 패턴을 만들기 위해 세포가 세포 외 매트릭스와 상호 작용하는 방식이라고 생각합니다. "우리는 그것이 둘 사이의 상호 춤이라는 것을 깨달았습니다."
Camley는“이것은 수축성이 패턴 형성을 주도하기에 충분할 수 있음을 시사합니다. “정말 새로운 필수 작품입니다.”
역학 첫 번째, 나중에 유전자?
수학자 인 D 'Arcy Wentworth Thompson은 1917 년에 물리적 힘이 발전을 직접 지시 할 수 있다고 제안했습니다. 그의 책에서 성장과 형태에 관한 그의 책에서 , Thompson은 비틀림이 어떻게 뿔과 치아 형성을 지배하는지, 계란과 기타 중공 구조가 어떻게 나타나는지, 심지어 해파리와 액체 방울 사이의 유사성을 설명했습니다.
그러나 Thompson의 아이디어는 나중에 Turing의 설명으로 인해 유전자에 대한 새로운 이해와 더 쉽게 연결되었습니다. 1952 년 종이 인“형태 형성의 화학적 기초”는 사망 2 년 전에 출판 된“형태 형성의 화학적 기초”에서, 골격의 반점, 줄무늬 및 조각 된 뼈 모양과 같은 패턴은 세포 전체에 불일치로 연결된 모르페스라고 불리는 화학 물질의 소용돌이의 결과라고 제안했다. 분자 청사진 역할을하는 모르겐은 손가락, 치아 줄 또는 다른 부분이 발달하게하는 유전자 프로그램을 시작합니다.
튜링의 이론은 단순성으로 생물 학자들 사이에서 사랑을 받았으며 곧 발달 생물학의 핵심 교리가되었습니다. Rodrigues는“대부분의 생물학 메커니즘에 대한 강력한 분자 및 유전 적 견해가 여전히 있습니다.
그러나 그 해결책에서 뭔가 빠졌습니다. 화학적 모르소근이 발달을 유도한다면 과학자들은 하나가 다른 하나보다 우선한다는 것을 보여줄 수 있어야한다고 말했다.
그녀와 로드리게스는 실험실에서 이것을 보여줄 수 없었습니다. 2017 년에는 작은 닭 배아 피부 조각을 가져 와서 모낭을 형성하기 위해 조직이 묶여있는 것을 면밀히 지켜 보았습니다. 한편, 그들은 여포 형성에 관여하는 유전자의 활성화를 추적했다. 그들이 발견 한 것은 유전자 발현이 세포가 묶인 것과 같은시기에 일어났다는 것이었다.
Shyer는“먼저‘유전자 발현, 나중에 역학’대신 역학이 이러한 모양을 생성하는 것과 비슷했습니다. "라고 Shyer는 말했습니다. 나중에 그들은 유전자 조절 화학 물질 중 일부를 제거하는 것조차도 그 과정을 방해하지 않았다는 것을 보여 주었다. "이것은‘여기서 다른 일이 일어나고 있을지도 모른다’는 말을 열었습니다.
생물학의 활발한 소프트 문제
Shyer와 Rodrigues는 그들의 작업과 미래의 조사가 개발 중에 물리학의 역할과 화학 물질 및 유전자와의 상호 작용을 밝히는 데 도움이되기를 희망합니다.
.시카고 대학교의 분자 생물 학자 인 에드윈 먼로 (Edwin Munro)는“우리는 모든 분자 유전자 발현, 신호 전달 및 세포 운동의 힘의 생성이 서로 불가분하게 결합되어 있음을 깨닫고있다.
Munro는 세포 외 매트릭스의 역할이 과학자들이 현재 알고있는 것보다 더 중요하다고 생각하지만, 개발에서 더 중심적인 역할을 인식하고 있습니다. 최근의 연구는 세포 외 매트릭스의 힘을 과일 플라이 알의 발달과 연결 시켰습니다. 예를 들어
로드리게스는 동의했다. "세포와 마찬가지로 세포 외 매트릭스가 그 자체로 재료를 형성하고있다"고 그는 말했다. 그는 수축성 세포와 세포 외 매트릭스의 이러한 결합을“활성 소프트 물질”으로 설명하고 세포 외 힘을 통해 발생하는 배아 발달의 조절에 대한 새로운 사고 방식을 지적한다고 생각합니다. 향후 작업에서 그와 Shyer는 개발중인 물리적 힘에 대한 자세한 내용을 설명하고 분자 관점과 합병하기를 희망합니다.
Shyer는“우리는 점점 더 깊이 있고 엄격한 게놈을 방금 연구했다면이 모든 것이 분명 할 것”이라고 Shyer는 말했다.“중요한 질문에 대한 답은 게놈 수준에 있지 않을 수도 있습니다.” 일단 세포 내에서 유전자와 그들의 생성물의 상호 작용을 통해 발달 결정이 내려진 것처럼 보였지만, 새로운 진실은“의사 결정은 세포 밖에서 세포의 물리적 상호 작용을 통해 세포 밖에서 일어날 수있다”는 것입니다.
