Over "Game of Thrones, "een drieogige raaf bevat de geheimen van het verleden, heden en toekomst in een enorm fantasierijk. Maar voor echte biologen, een "drieogige kever" kan een echte blik bieden in de toekomst van het bestuderen van evolutionaire ontwikkeling.

Met behulp van een eenvoudig genetisch hulpmiddel, IU-wetenschappers hebben opzettelijk een volledig functioneel extra oog laten groeien in het midden van het voorhoofd van de gewone kever. Het ontrafelen van de biologische mechanismen achter dit voorval zou onderzoekers kunnen helpen begrijpen hoe evolutie gebruik maakt van reeds bestaande ontwikkelings- en genetische "bouwstenen" om nieuwe complexe eigenschappen te creëren, of "oude" eigenschappen op nieuwe plaatsen.

De resultaten van de studie verschijnen in het tijdschrift van de Proceedings van de National Academy of Sciences . Het werk biedt ook diepere inzichten in een eerder experiment dat per ongeluk een extra oog produceerde als onderdeel van een onderzoek om te begrijpen hoe de insectenkop zich ontwikkelt.

"Ontwikkelingsbiologie is prachtig complex, deels omdat er niet één gen voor een oog is, een brein, een vlindervleugel of een schildpad, " zei Armin P. Moczek, een professor in de afdeling Biologie van het IU Bloomington College of Arts and Sciences. "In plaats daarvan, duizenden individuele genen en tientallen ontwikkelingsprocessen komen samen om de vorming van elk van deze eigenschappen mogelijk te maken.

"We hebben ook geleerd dat het ontwikkelen van een nieuwe fysieke eigenschap veel lijkt op het bouwen van een nieuwe structuur uit Legos, door hergebruik en recombinatie van 'oude' genen en ontwikkelingsprocessen binnen nieuwe contexten."

Als gevolg hiervan, de evolutie van nieuwe kenmerken vereist vaak veel minder genetische veranderingen dan biologen aanvankelijk dachten.

Maar in tegenstelling tot het herschikken en combineren van plastic speelgoedstenen om een ​​nieuwe structuur te vormen, Moczek zei dat het onduidelijk is welke biologische mechanismen onder sommige omstandigheden de constructie van nieuwe fysieke eigenschappen sturen, maar niet in andere.

"Je kunt steeds weer nieuwe dingen maken of op nieuwe plaatsen met dezelfde oude set 'stenen, '" zei hij. "Maar in Lego, we kennen de montageregels:welke onderdelen passen bij elkaar en welke niet. In de biologie, we hebben nog steeds moeite om de respectieve tegenhangers te begrijpen."

Een van de manieren waarop wetenschappers hebben geprobeerd een duidelijker beeld van dit proces te krijgen, is door de groei van "ectopische" organen te stimuleren - of organen die zich op het verkeerde deel van het lichaam vormen. Vroeg werk in het veld was gericht op de vorming van fruitvliegogen op de verkeerde plaats, zoals op de vleugel of het been. Echter, deze experimenten vereisten het activeren van belangrijke regulerende genen op de nieuwe locatie, een techniek die beperkt is tot slechts enkele studieorganismen. De resulterende "ogen" waren ook nooit volledig functioneel.

Daarentegen, de nieuwe IU-geleide studie rapporteert over de vorming van een extra functioneel oog - technisch gezien, een "fusie" van twee sets extra ogen - na het uitschakelen van een enkel gen, een techniek die algemeen beschikbaar is voor wetenschappers in de meeste organismen. De onverwachte vorming van een complex, functioneel oog op een nieuwe locatie in het proces is "een opmerkelijk voorbeeld van het vermogen van ontwikkelingssystemen om enorme verstoringen te kanaliseren in de richting van ordelijke en functionele resultaten, ' zei Moczek.

Om een ​​volledig functioneel oog te creëren in het midden van de kop van een kever, Moczek's team deactiveerde een enkel gen genaamd orthodenticle, of anders, waarvan hun onderzoek eerder heeft aangetoond dat ze een rol spelen bij het instrueren van de vorming van het hoofd tijdens de ontwikkeling.

"Deze studie verstoort experimenteel de functie van een enkele, belangrijk gen, " zei Moczek. "En, als antwoord op deze verstoring, de rest van de hoofdontwikkeling reorganiseert zichzelf om een ​​zeer complexe eigenschap op een nieuwe plaats te produceren:een samengesteld oog in het midden van het hoofd.

"Bovendien, het verdomde ding werkt echt!"

Om te bevestigen dat het oog een echt extra oog was, het IU-team voerde meerdere tests uit om te bewijzen dat de structuur dezelfde celtypes had, dezelfde genen tot expressie brachten, kreeg goede zenuwverbindingen en lokte dezelfde gedragsreactie uit als een normaal oog. Wat de resultaten zo opwindend maakt - afgezien van de nieuwigheid van Frankenstein - is de relatief eenvoudige genetische techniek die wordt gebruikt om de gen-knockdown te bereiken, zei IU-postdoctoraal onderzoeker Eduardo E. Zattara, wie is de hoofdauteur van het onderzoek.

Moczek zei dat de bevindingen ook verder gaan dan deze toepassing om fundamentele vragen in de ontwikkeling te helpen beantwoorden, evolutie en geneeskunde. Bijvoorbeeld, begrijpen hoe complexe organen hun groei en integratie in het lichaam organiseren, zijn centrale uitdagingen die de medische wetenschappen moeten overwinnen om kunstmatige organen te ontwikkelen voor onderzoek en transplantatie.

"Het gebruik van buitenbaarmoederlijke ogen is een zeer toegankelijk paradigma om dit alles te bestuderen, over vele soorten organismen, " Zei Zattara. "We beschouwen deze studie als echt de deur openen naar nieuwe wegen van onderzoek in meerdere disciplines."