Om het antwoord te helpen ontdekken, hebben Mattia Serra, assistent-professor natuurkunde van de Universiteit van Californië in San Diego, en collega's van de Politecnico di Milano (Italië) een nieuwe methode ontwikkeld die de beweging van embryonale cellen kan manipuleren met behulp van kortetermijnaantrekkers – een concept dat Serra eerder had gebruikt. ontwikkeld en toegepast om zoek- en reddingsoperaties op zee te ondersteunen.

Hun werk verschijnt in Physical Review Letters .

Kortetijdaantrekkers zijn structuren die de dynamiek en beweging van een systeem gedurende een beperkte tijd beïnvloeden, maar het gedrag op de lange termijn niet bepalen. Door de ruimtelijke verdeling van myosine – de moleculaire motor die de celbeweging aandrijft – te moduleren, konden de onderzoekers de positionering van deze aantrekkers controleren, waardoor de celaccumulatie naar specifieke delen van het embryo werd gestuurd.

Terwijl myosine de celbeweging in het embryo aandrijft, zijn er ook externe krachten, of verstoringen, die ook tegen het embryo duwen en trekken. Deze verstoringen worden eerder opgelegd dan gecontroleerd door het embryo.

Dit is een delicate dans. Het embryo moet myosine optimaal verdelen, zodat de cellen zich in de richting van de voor de ontwikkeling noodzakelijke aantrekkers bewegen en tegelijkertijd te kampen hebben met de opgelegde verstoringen.

Met behulp van theorie en simulaties konden de onderzoekers een optimale controlestrategie bedenken om kortetermijnaantrekkers te creëren en te sturen in stromen die vergelijkbaar zijn met die bij de ontwikkeling van embryo's.

Om hun theorie te bevestigen, manipuleerden medewerkers van de Weijer-groep van de Universiteit van Dundee (Schotland) de myosineverdeling van een kippenembryo. Normaal gesproken ontwikkelt het embryo een kortetermijnaantrekker in de vorm van een lijn; dit is waar de hoofdas van het lichaam wordt gevormd. Serra's voorspellingen suggereerden dat ze met een bepaalde verdeling van myosine een ringvormige kortetermijnaantrekker zouden kunnen maken. De Weijer-groep slaagde erin de voorgestelde myosineverdeling in een levend embryo te implementeren en ontwikkelde een circulaire in plaats van een lineaire attractie.

Deze nieuwe methode om celstromen te controleren kan worden gebruikt bij het ontwerpen van synthetische organen en organoïden en kan helpen bij toepassingen in de regeneratieve geneeskunde.

"Meercellige stromen zijn complex en kunnen overweldigend zijn om te bestuderen. Attractors en repellers comprimeren deze complexiteit tot essentiële eenheden die kunnen worden gecontroleerd en gebruikt om de onderliggende principes te ontrafelen die multicellulaire stromen aandrijven", aldus Serra.

Meer informatie: Carlo Sinigaglia et al., Optimale controle van kortetermijnaantrekkers in actieve nematica, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.218302. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.00193

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door Universiteit van Californië - San Diego