Почти восемь лет назад биоинженер из Стэнфордского университета Ману Пракаш искал способ наблюдать за каждой клеткой живого взрослого животного во всех подробностях. Он просмотрел каталог жизни и наткнулся на простое морское животное Trichoplax adhaerens - или Tplax, как его назвал Пракаш.
Этому ультраплоскому животному не хватает мускулов и нейронов, но оно все же движется и ориентируется в своем водном мире. Лаборатория Prakash обнаружила, что Tplax справляется с этим за счет удивительно быстрых сокращений в двух своих кожных слоях - сокращений достаточно сильных, чтобы они обычно разрывали такие, казалось бы, нежные ткани. В своей первой статье, основанной на многолетнем изучении этого организма, опубликованной 11 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи описывают сверхбыстрые сокращения и предлагают гипотезу о том, как это существо противостоит внутренним и внешним силам в морская среда.
Выводы могут помочь узнать не только о том, как эволюционировали сложные животные, но и о создании усовершенствованного материала, называемого активным твердым телом, который может резко и быстро модулировать свои физические свойства.
«Многие правила биологии, которые мы читаем в учебниках, до сих пор диктовались несколькими наборами «модельных» организмов», - сказал Пракаш, адъюнкт-профессор биоинженерии и старший автор исследования. бумага. «Если мы намерены стать поколением, которое раскроет законы биологии, чрезвычайно важно понимать и ценить разнообразие того, что эволюционировало на нашей планете, и гораздо более целостно думать о том, что на самом деле возможно в биологических системах."
Движение без мышц
В первые дни изучения Tplax существа неоднократно исчезали из поля зрения под микроскопом. Но со временем исследователи из лаборатории Пракаша научились отслеживать и количественно оценивать каждое клеточное сжатие и извивающееся движение животных. Пракаш помнит, когда их усилия впервые начали приносить плоды.
«Был буквально день, когда у меня впервые заработали некоторые пятна, которые маркируют клетки Tplax, и под микроскопом мы увидели взрыв клеточных сокращений», - сказал Пракаш. «Это выглядело как фейерверк под микроскопом, и именно в этот момент мы поняли, что в этом животном есть что-то особенное, и нам нужно это понять».
Этим фейерверком были быстрые сокращения Tplax, которые происходят в его плоском слое так называемых эпителиальных клеток - по сути, эквивалент кожи. Хотя давно известно, что эти типы клеток сокращаются, например, у эмбрионов сокращения Tplax были в 10 раз быстрее, чем любые сокращения эпителиальных клеток, о которых когда-либо сообщалось. Это разорвало бы сеть клеток в любой другой биологической ткани, такой же тонкой, как у этого животного, которая имеет толщину всего около 25 микрон, или четверть толщины листа бумаги.
Исследователи считают, что сила ткани заключается в том факте, что в то время как одни клетки сильно сокращаются, другие размягчаются - гипотеза, которую они называют «активной когезией». Во многих тканях сокращение в ответ на силу вызовет разрыв, а расслабление приведет к тому, что животное окажется во власти этой силы. Делая и то, и другое одновременно и скоординировано, клетки, участвующие в активной сплоченности Tplax, распределяют стресс, позволяя животному оставаться целым и контролировать ситуацию.
Открытие сверхбыстросокращающейся эпителиальной клетки ставит новые вопросы о роли эпителиальных сокращений в координации клеточной активности в ткани.
«Мы смотрим на это простое существо и видим, как оно принимает решения, двигается и охотится», - сказал Шахаф Армон, научный сотрудник лаборатории Пракаша, который является ведущим автором статьи.«Это огромный эволюционный вопрос, как отдельные клетки слились, чтобы стать многоклеточными организмами, и как такая минимальная ткань, состоящая из идентичных клеток, способна затем выполнять сложное поведение».
Теперь исследователи изучают, какие другие организмы могут использовать активное сцепление, и создают искусственный материал, который воспроизводит этот механизм для создания активного твердого тела. Ключом к скорости этих сокращений является необычная геометрия эпителиальной структуры Tplax: Т-образные клетки с очень тонким верхним слоем и свисающим ядром внизу, которые выстраиваются бок о бок, как один слой кирпичей. Эта геометрия, общая для губок, может быть использована при разработке новых материалов.
Таинственные звери
Работая с лабораторными линиями и животными, которых они сами поймали в Монтерее, группа выращивала Tplax самых разных размеров и форм, создавая животных, состоящих из сотен и миллионов клеток. Это изменение размера дает мощное окно для понимания того, как изменяется клеточная координация по мере увеличения или уменьшения количества клеток.
«Tplax - это действительно загадочные звери, - сказал Мэтью Булл, аспирант лаборатории Пракаша и соавтор статьи, - но мы используем это в наших интересах, чтобы выяснить, где наше понимание того, что значит для быть частью царства животных изгибается, а затем ломается».