Ричард Фейнман, один из самых уважаемых физиков двадцатого века, однажды сказал: «Я не понимаю того, что я не могу сделать». Это неудивительно, ведь многие физики и математики изучали фундаментальные биологические процессы, чтобы точно определить минимальные составляющие, способные их вызвать. Одним из таких примеров является исследование закономерностей природы Аланом Тьюрингом. В 1952 году блестящий английский математик продемонстрировал, что можно объяснить, как из полностью однородной ткани создаётся сложный эмбрион, и сделал это с помощью одной из самых простых и элегантных математических моделей, когда-либо описанных. Его модель, в частности, показала, что симметрия клетки или ткани может «нарушиться» при определённых условиях. Однако Тьюринг не смог проверить свои идеи, и потребовалось более 70 лет, прежде чем прорыв в биологической технологии позволил доказать их окончательно. Сможет ли идея Тьюринга претвориться в жизнь при помощи предложения Фейнмана? Генная инженерия доказала, что это возможно.
Недавно команда учёных из Института эволюционной биологии (IBE), объединённого исследовательского центра Университета Помпеу Фабра ( UPF) и Испанского национального исследовательского совета (CSIC) разработала новый тип модели, реализация которой с использованием синтетической биологии может воспроизвести нарушение симметрии, наблюдаемое в эмбрионах, с использованием минимального количества компонентов. С помощью синтетической биологии, а именно путём введения частичек генов других видов в бактерии E. coli (кишечной палочки), исследовательской группе удалось реализовать механизм для создания пространственных паттернов, наблюдаемых у более сложных животных, таких как Drosophila melanogaster (плодовая муха) или человек. В ходе исследования команда заметила, что штаммы модифицированной кишечной палочки, которые обычно растут симметричными круговыми узорами, воспроизводят форму цветка с лепестками через равные промежутки, как и предсказывал Тьюринг.
«Мы хотели создать нарушение симметрии, которое обычно не наблюдается в колониях E. coli , но встречается в образцах животных, а затем выяснить, какие компоненты необходимы для создания этих моделей», — отмечает Сальва Дюран-Небреда, проводивший это исследование в рамках работы для докторской степени в Лаборатории сложных систем.Сейчас он научный сотрудник Лаборатории эволюционных технологий IBE.
Используя новую синтетическую платформу, исследовательская группа смогла определить параметры, которые модулируют появление пространственных паттернов у E. coli. «Мы обнаружили, что, модулируя три компонента, способны вызывать нарушение симметрии. По сути, мы воздействовали на деление клеток, адгезию между ними и способность к связи на расстоянии (это называется “чувство кворума”, то есть восприятие момента коллективного решения)», — комментирует Дюран-Небреда.
Наблюдения, сделанные на модели E. coli , можно применять и к более сложным моделям животных или к принципам построения колоний насекомых. «Так же, как органоиды, или миниатюрные органы, могут помочь нам в разработке методов лечения, минуя этап моделирования на животных, данная синтетическая система прокладывает путь к пониманию такого универсального явления, как эмбриональное развитие в гораздо более простой системе in vitro », — уверяет Рикард Соле, исследователь ICREA, работающий в Группе сложных систем IBE, и руководитель исследования.
Модель, разработанная в этом исследовании, — первая в своём роде. Она может стать ключом к пониманию некоторых моментов эмбрионального развития. «Нам стоит рассматривать эту синтетическую систему как платформу для обучения конструированию различных фундаментальных биологических механизмов, задающих такие структуры, как путь от зиготы к формированию целостного организма. Более того, подобные знания о границе между механическими и биологическими процессами могут оказаться очень полезны для понимания нарушений развития», — заключает Дюран-Небреда.
Перевод: Анастасия Карцева (резюме на hh.ru).
Редактор: Вера Круз, автор блога Обзоры фильмов и книг Веры Круз.
Дизайн: CubeWarlock.
