به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، یکی از ماندگارترین و اساسی‌ترین سؤالات زندگی این است: چگونه اتفاق می‌افتد؟ برای مثال، در رشد انسان، سلول‌ها چگونه به پوست، ماهیچه‌ها یا استخوان‌ها خود سازماندهی می‌شوند؟ چگونه مغز، انگشت، ستون فقرات را تشکیل می‌دهند؟ اگرچه پاسخ به چنین سؤالاتی ناشناخته باقی مانده است، یک خط از تحقیقات علمی در درک گاسترولاسیون نهفته است - مرحله ای که در آن سلول‌های جنین از یک لایه منفرد به یک ساختار چند بعدی با یک محور اصلی تبدیل می شوند. در انسان، گاسترولاسیون حدود 14 روز پس از لقاح اتفاق می‌افتد. مطالعه روی جنین انسان در این مرحله امکان پذیر نیست، بنابراین محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، دانشگاه داندی (بریتانیا) و دانشگاه هاروارد توانستند گاسترولاسیون را در جنین جوجه مطالعه کنند که در این مرحله شباهت‌های زیادی به جنین انسان دارد. این یافته‌ها که در Science Advances منتشر شده است، نشان می‌دهد که اصول فیزیکی خودسازماندهی چند سلولی ممکن است در میان گونه‌های مهره‌داران تکامل یافته مشابه باشد.

فرایند گاسترولاسیون جنینی

گاسترولاسیون یک فرآیند بسیار حفاظت شده در رشد همه جنین‌های مهره داران است و جوجه مدلی است که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است زیرا به راحتی کشت و تصویربرداری می‌شود. در طی گاسترولاسیون، لایه ای از سلول‌های اپیتلیال جوجه به ساختار لایه ای از سه بافت اصلی جنینی تبدیل می‌شود: اکتودرم، مزودرم و اندودرم. در لحظه تخم گذاری، جنین جوجه شامل حدود 30000 سلول است که در یک اپی بلاست دایره ای سازماندهی شده‌اند که باعث ایجاد جنین مناسب (EP) می‌شود که توسط حلقه‌ای از بافت خارج جنینی (EE) احاطه شده است. در طی چند ساعت اول رشد، سیگنال‌هایی از بافت‌های EE و هیپوبلاست در حال رشد، سلول‌ها را وادار می‌کنند تا به پیش‌سازهای مزاندودرم در یک دامنه داسی شکل در لبه خلفی اپیبلاست تمایز پیدا کنند. این سلول‌های پیش‌ساز مزاندودرم تحت تداخلات سلولی هدایت‌شده قرار می‌گیرند که منجر به انقباض بافت مزاندودرم به سمت خط وسط مرکزی آن می‌شود و به دنبال آن امتدادی در جهت قدامی ایجاد می‌شود و رگه اولیه (PS) را تشکیل می‌دهد. در این رگه، سلول‌های پیش‌ساز مزاندودرم تحت یک انتقال اپیتلیال به مزانشیمی (EMT) قرار می‌گیرند و به دنبال آن نفوذ و مهاجرت فردی آنها به جنین در حال رشد برای تشکیل ساختارهای مزودرمی و اندودرمی مختلف انجام می‌شود. این رفتارهای سلولی جریان‌های بافتی ضد چرخش در مقیاس جنین را هدایت می‌کند که در محل تشکیل PS همگرا می‌شوند.

حرکات و مورفولوژی جنین‌های مختلف در طول گاسترولاسیون

در طی گاسترولاسیون، جنین‌ها از یک لایه اپیتلیال ساده به یک ساختار سه لایه تبدیل می شوند. در جنین‌های مهره داران، این فرآیند به حرکات مورفوژنتیکی بزرگ نیاز دارد تا سه لایه اولیه جوانه - اکتودرم، مزودرم و اندودرم - را در موقعیت‌های توپولوژیکی صحیح خود قرار دهد. با این حال، حرکات دقیق بافت و مورفولوژی جنین در طول گاسترولاسیون در بین حیوانات مهره‌دار بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، Xenopus یک بلاستوپور را تشکیل می‌دهد که از طریق آن پیش سازهای مزودرم و اندودرم به عنوان صفحات اپیتلیال درونی می‌شوند، در حالی که، در انتهای دیگر طیف، جنین‌های آمنیوتی مانند جنین جوجه، موش و انسان، این پیش سازها را به عنوان سلول‌های مزانشیمی از طریق یک ساختار شناخته شده به نام خط اولیه درونی می‌کنند.  جریان بافت مورفوژنتیک در همه موجودات ناشی از ادغام چند رفتار حیاتی سلولی از جمله تقسیم سلولی، تمایز، تغییر شکل و حرکت است. این رفتارهای سلولی از طریق ترکیبی از سیگنال‌های شیمیایی و مکانیکی کوتاه‌برد و بلندمدت الگوبرداری و هماهنگ می‌شوند. سازمان‌های فضایی-زمانی مختلف این رفتارهای سلولی، در ارتباط با محدودیت‌های هندسی و مکانیکی تحمیل‌شده توسط اندازه و شکل جنین و بافت‌های خارج جنینی، برنامه‌های مورفوژنتیک متنوعی را در گاسترولاسیون مهره‌داران تعیین می‌کنند. با این حال، چگونگی هماهنگی و جفت شدن حرکات سلولی در مقیاس بزرگ از طریق بازخورد به فرآیندهای سیگنالینگ به عنوان بخشی از مکانیسم‌های کنترل رشد قوی باقی مانده است که باید حل شود.

بازسازی جریان گاسترولاسیون جنینی

این تحقیق از طریق چیزی که ماتیا سرا، استادیار فیزیک دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو، آن را یک حلقه ایده آل می‌نامد، انجام شد: ترکیبی بین رشته‌ای و پشت سر هم از علوم نظری و تجربی. ماتیا نظریه پردازی است که علاقه مند به یافتن الگوهای نوظهور در سیستم‌های پیچیده بیوفیزیکی است. در اینجا، او و تیمش یک مدل ریاضی بر اساس داده‌های زیست شناسان دانشگاه داندی ساختند. این مدل قادر به پیش‌بینی دقیق جریان گاسترولاسیون (حرکت ده‌ها هزار سلول در کل جنین جوجه) بود که زیر میکروسکوپ مشاهده می‌شد. این اولین باری است که یک مدل ریاضی خودسازمانده توانسته است این جریان‌ها را در جنین جوجه بازتولید کند. سپس زیست‌شناسان مشاهده کردند که این مدل نه تنها می‌تواند آنچه را که از نظر تجربی درست می‌دانستند تکرار کند، بلکه می‌تواند آنچه را که ممکن است در شرایط مختلف اتفاق بیفتد نیز پیش‌بینی کند. نتایج شگفت‌انگیز بود: زیرا این مدل جریان‌های سلولی ایجاد کرد که به طور طبیعی در جوجه مشاهده نشده بود، اما در دو گونه مهره‌دار دیگر - قورباغه و ماهی مشاهده شده بود. برای اطمینان از اینکه این نتایج یک فانتزی ریاضی از مدل نیست، همکاران زیست شناسی اختلالات دقیق مدل را در آزمایشگاه روی جنین جوجه تقلید کردند. به طور قابل توجهی، این جنین‌های جوجه دستکاری شده همچنین جریان گاسترولاسیون را نشان دادند که به طور طبیعی در ماهی‌ها و قورباغه‌ها مشاهده می‌شود.

کمک به زندگی طولانی‌تر و سالم‌تر انسان‌ها

سرا اظهار داشت: ماهی‌ها، قورباغه‌ها و جوجه‌ها همگی در محیط‌های مختلفی زندگی می‌کنند، بنابراین با گذشت زمان، فشار تکاملی ممکن است پارامترها و شرایط اولیه رشد جنین را تغییر داده باشد. "اما برخی از اصول اصلی خودسازماندهی، حداقل در این مرحله اولیه گاسترولاسیون، ممکن است در هر سه یکسان باشد." سرا و همکارانش اکنون در حال مطالعه مکانیسم‌های دیگری هستند که باعث ایجاد الگوهای خودسازماندهی در مقیاس جنینی می‌شوند. آنها امیدوارند که این تحقیق بتواند طراحی بیومواد و پزشکی احیاکننده را برای کمک به زندگی طولانی‌تر و سالم‌تر به انسان‌ها ارتقا دهد. وی تصریح کرد: بدن انسان پیچیده ترین سیستم دینامیکی موجود است. "سوالات بیولوژیکی، فیزیکی و ریاضی بسیار جالبی در مورد بدن ما وجود دارد - فکر کردن به آن زیباست. اکتشافاتی که می‌توانیم انجام دهیم پایانی ندارد."

پایان مطلب/.