Wanneer een eicel van bijna elke seksueel voortplantende soort wordt bevrucht, het veroorzaakt een reeks golven die over het oppervlak van het ei rimpelen. Deze golven worden geproduceerd door miljarden geactiveerde eiwitten die door het membraan van het ei stromen als stromen van kleine gravende schildwachten, het signaal geven aan het ei om te beginnen met delen, vouwen, en weer delen, om de eerste cellulaire zaden van een organisme te vormen.

Nu hebben MIT-wetenschappers het patroon van deze golven gedetailleerd bekeken, geproduceerd op het oppervlak van zeestereieren. Deze eieren zijn groot en daarom gemakkelijk te observeren, en wetenschappers beschouwen zeesterreneieren als representatief voor de eieren van veel andere diersoorten.

In elk ei, het team introduceerde een eiwit om het begin van de bevruchting na te bootsen, en registreerde het patroon van golven die als reactie over hun oppervlak golfden. Ze zagen dat elke golf in een spiraalpatroon ontstond, en dat meerdere spiralen tegelijk over het oppervlak van een ei wervelden. Sommige spiralen verschenen spontaan en wervelden weg in tegengestelde richtingen, terwijl anderen frontaal in botsing kwamen en onmiddellijk verdwenen.

Het gedrag van deze kolkende golven, de onderzoekers beseften, is vergelijkbaar met de golven die worden gegenereerd in andere, schijnbaar ongerelateerde systemen, zoals de wervels in kwantumvloeistoffen, de circulaties in de atmosfeer en oceanen, en de elektrische signalen die zich door het hart en de hersenen voortplanten.

"Er was niet veel bekend over de dynamiek van deze oppervlaktegolven in eieren, en nadat we begonnen met het analyseren en modelleren van deze golven, we ontdekten dat dezelfde patronen in al deze andere systemen voorkomen, " zegt natuurkundige Nikta Fakhri, de Thomas D. en Virginia W. Cabot assistent-professor aan het MIT. "Het is een manifestatie van dit zeer universele golfpatroon."

"Het opent een geheel nieuw perspectief, " voegt Jörn Dunkel toe, universitair hoofddocent wiskunde aan het MIT. "Je kunt veel technieken lenen die mensen hebben ontwikkeld om vergelijkbare patronen in andere systemen te bestuderen, om iets over biologie te leren."

Fakhri en Dunkel hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica . Hun co-auteurs zijn Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, en Melis Tekant van MIT.

Het centrum vinden

Eerdere studies hebben aangetoond dat de bevruchting van een ei Rho-GTP onmiddellijk activeert, een eiwit in het ei dat normaal gesproken in inactieve toestand in het cytoplasma van de cel ronddrijft. Eenmaal geactiveerd, miljarden van het eiwit stijgen op uit het moeras van het cytoplasma om zich aan het membraan van het ei te hechten, kronkelend langs de muur in golven.

"Stel je voor dat je een erg vies aquarium hebt, en zodra een vis dicht bij het glas zwemt, je kan het zien, " legt Dunkel uit. "Op een vergelijkbare manier, de eiwitten zitten ergens in de cel, en wanneer ze geactiveerd worden, ze hechten aan het membraan, en je begint ze te zien bewegen."

Fakhri zegt dat de golven van eiwitten die over het membraan van het ei bewegen dienen, gedeeltelijk, celdeling rond de celkern te organiseren.

"Het ei is een enorme cel, en deze eiwitten moeten samenwerken om het centrum te vinden, zodat de cel weet waar hij moet delen en vouwen, vele malen, een organisme vormen, " zegt Fakhri. "Zonder dat deze eiwitten golven maken, er zou geen celdeling zijn."

In hun studie hebben het team concentreerde zich op de actieve vorm van Rho-GTP en het patroon van golven geproduceerd op het oppervlak van een ei toen ze de eiwitconcentratie veranderden.

Voor hun experimenten, ze verkregen ongeveer 10 eieren uit de eierstokken van zeesterren via een minimaal invasieve chirurgische ingreep. Ze introduceerden een hormoon om de rijping te stimuleren, en ook fluorescerende markers geïnjecteerd om zich te hechten aan actieve vormen van Rho-GTP die als reactie opkwamen. Vervolgens observeerden ze elk ei door een confocale microscoop en keken hoe miljarden eiwitten werden geactiveerd en over het oppervlak van het ei rimpelden als reactie op variërende concentraties van het kunstmatige hormonale eiwit.

"Op deze manier, we creëerden een caleidoscoop van verschillende patronen en keken naar hun resulterende dynamiek, ' zegt Fakhri.

orkaan spoor

De onderzoekers verzamelden eerst zwart-witvideo's van elk ei, met de heldere golven die over het oppervlak reisden. Hoe helderder een gebied in een golf, hoe hoger de concentratie van Rho-GTP in dat specifieke gebied. Voor elk filmpje ze vergeleken de helderheid, of eiwitconcentratie van pixel tot pixel, en gebruikten deze vergelijkingen om een ​​animatie van dezelfde golfpatronen te genereren.

Van hun video's, het team merkte op dat golven naar buiten leken te oscilleren als klein, orkaanachtige spiralen. De onderzoekers traceerden de oorsprong van elke golf tot in de kern van elke spiraal, die ze een 'topologisch defect' noemen. Uit nieuwsgierigheid, ze volgden zelf de beweging van deze defecten. Ze deden wat statistische analyses om te bepalen hoe snel bepaalde defecten over het oppervlak van een ei gingen, en hoe vaak, en in welke configuraties de spiralen opdoken, botste, en verdwenen.

In een verrassende wending, ze ontdekten dat hun statistische resultaten, en het gedrag van golven in het oppervlak van een ei, waren hetzelfde als het gedrag van golven in andere grotere en schijnbaar ongerelateerde systemen.

"Als je kijkt naar de statistieken van deze defecten, het is in wezen hetzelfde als wervelingen in een vloeistof, of golven in de hersenen, of systemen op grotere schaal, " zegt Dunkel. "Het is hetzelfde universele fenomeen, gewoon verkleind tot het niveau van een cel."

De onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in de gelijkenis van de golven met ideeën in quantum computing. Net zoals het golfpatroon in een ei specifieke signalen uitzendt, in dit geval van celdeling, kwantumcomputing is een veld dat gericht is op het manipuleren van atomen in een vloeistof, in precieze patronen, om informatie te vertalen en berekeningen uit te voeren.

"Misschien kunnen we nu ideeën lenen van kwantumvloeistoffen, minicomputers bouwen van biologische cellen, " zegt Fakhri. "We verwachten enkele verschillen, maar we zullen proberen [biologische signaalgolven] verder te onderzoeken als een hulpmiddel voor berekeningen."