По мере развития эмбриона ткани изгибаются в сложные трехмерные формы, из которых формируются органы. Эпителиальные клетки являются строительными блоками этого процесса, образуя, например, наружный слой кожи. Они также выстилают кровеносные сосуды и органы всех животных.
Эти клетки плотно упакованы. Предполагается, что для приспособления к искривлению, возникающему во время эмбрионального развития, эпителиальные клетки принимают либо столбчатую, либо бутылкообразную форму.
Однако группа ученых глубже изучила это явление и в процессе обнаружила новую геометрическую форму.
Они обнаружили, что во время изгиба ткани эпителиальные клетки принимают ранее не описанную форму, которая позволяет клеткам минимизировать потребление энергии и максимизировать стабильность упаковки. Результаты команды будут опубликованы в журнале Nature Communications в статье под названием «Скутоиды - геометрическое решение трехмерной упаковки эпителия».
Исследование является результатом сотрудничества между США и Европейским союзом команд Луиса М. Эскудеро (Севильский университет, Испания) и Хавьера Бучеты (Университет Лихай, США). Педро Гомес-Гальвес и Пабло Висенте-Мунуэра являются первыми авторами этой работы, в которую также входят ученые из Андалузского центра биологии развития и Центра молекулярной биологии Северо-Очоа.
Бучета и его коллеги впервые сделали это открытие с помощью компьютерного моделирования, в котором использовалась диаграмма Вороного, инструмент, используемый в ряде областей для понимания геометрической организации.
«В процессе моделирования мы увидели странные результаты, - говорит Бучета. «Наша модель предсказывала, что по мере увеличения кривизны ткани клетки могут приобретать не только колонны и формы бутылок. К нашему удивлению, у дополнительной формы даже не было математического названия! возможность назвать новую форму."
Группа назвала новую форму «скутоидом» за ее сходство со щитком - задней частью грудной клетки или средней части насекомого.
Чтобы проверить предсказания модели, группа исследовала трехмерную упаковку различных тканей у разных животных. Экспериментальные данные подтвердили, что эпителиальные клетки принимают формы и трехмерные мотивы упаковки, подобные тем, которые были предсказаны компьютерной моделью.
Используя биофизические подходы, команда утверждает, что скутоиды стабилизируют трехмерную упаковку и делают ее энергетически эффективной. Как говорит Бучета: «Мы открыли природное решение для достижения эффективного изгиба эпителия».
Их результаты могут проложить путь к пониманию трехмерной организации эпителиальных органов и привести к прогрессу в тканевой инженерии.
«Помимо этого фундаментального аспекта морфогенеза, - пишут они, - способность конструировать ткани и органы в будущем критически зависит от способности понимать, а затем контролировать трехмерную организацию клеток».
Бучета добавляет: «Например, если вы хотите выращивать искусственные органы, это открытие может помочь вам построить каркас для поощрения такой упаковки клеток, точно имитируя естественный способ эффективного развития тканей».