In het honderdjarig bestaan ​​van de publicatie van een baanbrekende verhandeling over de fysische en wiskundige principes die ten grondslag liggen aan de natuur - Over groei en vorm door D'Arcy Wentworth Thompson - heeft een natuurkundige uit Cambridge een studie geleid die een elegant eenvoudige oplossing beschrijft voor een puzzel die biologen heeft belast al eeuwen:hoe complexe vertakkingspatronen van weefsels ontstaan.

Vertakkingspatronen komen overal in de natuur voor - in bomen, varens en koraal, bijvoorbeeld - maar ook op een veel fijnere schaal, waar ze essentieel zijn om ervoor te zorgen dat organismen gassen en vloeistoffen efficiënt kunnen uitwisselen met de omgeving door de beschikbare oppervlakte te maximaliseren.

Bijvoorbeeld, in de dunne darm, epitheelweefsel is gerangschikt in een reeks vingerachtige uitsteeksels. In andere organen, zoals nieren, long, borstklieren, alvleesklier en prostaat, uitwisselingsoppervlakken zijn efficiënt verpakt rond ingewikkelde vertakte epitheliale structuren.

"Op het oppervlak, de vraag hoe deze structuren groeien - structuren die wel 30 of 40 generaties vertakkingen kunnen bevatten - lijkt ongelooflijk complex, " zegt professor Ben Simons, die de studie leidde, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Cel . Professor Simons bekleedt functies in het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge en het Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute.

Dit klassieke probleem van 'vertakkende morfogenese' heeft eeuwenlang de aandacht getrokken van wetenschappers en wiskundigen. Inderdaad, de wiskundige onderbouwing van morfogenese - het biologische proces dat ervoor zorgt dat organismen hun vorm ontwikkelen - was het onderwerp van de klassieke tekst van D'Arcy Wentworth Thompson, gepubliceerd in 1917 door Cambridge University Press. Thompson had gestudeerd aan Cambridge, zoölogie studeren aan het Trinity College, en werkte kort als Junior Demonstrator in de Fysiologie.

Tijdens de ontwikkeling, vertakkingsstructuren worden georkestreerd door stamachtige cellen die een proces van ductale groei en deling (of 'vertakking') aandrijven. Elke volgende tak zal dan ofwel stoppen met groeien, of ga weer verder met vertakken. In een studie gepubliceerd in Natuur eerder dit jaar, Professor Simons in samenwerking met dr. Jacco van Rheenen van het Hubrecht Institute in Utrecht toonde aan dat, in de borstklier, deze processen van deling en beëindiging vinden willekeurig plaats, maar met bijna gelijke waarschijnlijkheid.

"Terwijl er een collectief besluitvormingsproces gaande is waarbij meerdere verschillende stamceltypes betrokken zijn, onze ontdekking dat groei bijna bij het opgooien van een munt plaatsvindt, suggereerde dat er een heel eenvoudige regel aan ten grondslag kan liggen, ’ zegt professor Simons.

Professor Simons en zijn collega dr. Edouard Hannezo merkten op dat er zeer weinig kruising van de takken was - kanalen leken uit te zetten om de ruimte te vullen, maar niet overlappen. Dit bracht hen ertoe te vermoeden dat de kanalen groeiden en zich deelden, maar zodra een tip een andere tak raakte, het zou stoppen.

"Op deze manier, je genereert een perfect ruimtevullend netwerk, met precies de waargenomen statistische organisatie, via de eenvoudigste lokale instructie:je vertakt en je stopt wanneer je een rijpend kanaal tegenkomt, " zegt dokter Hannezo, een Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellow aan het Gurdon Institute. "Dit heeft enorme implicaties voor de basisbiologie. Het vertelt je dat complexe vertakte epitheelstructuren zich ontwikkelen als een zelfgeorganiseerd proces, afhankelijk van een opvallend eenvoudig, maar generiek, regel, zonder toevlucht te nemen tot een rigide, vooraf bepaalde volgorde van genetisch geprogrammeerde gebeurtenissen."

Hoewel deze waarnemingen waren gebaseerd op het borstklierepitheel, door gebruik te maken van primaire gegevens van Dr. Rosemary Sampogna van de Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, bijvoorbeeld, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."