Bij veel soorten, waaronder mensen, de cellen die verantwoordelijk zijn voor de voortplanting, de geslachtscellen, zijn vaak sterk met elkaar verbonden en delen hun cytoplasma. Bij het hermafrodiete aaltje Caenorhabditis elegans, tot 500 kiemcellen zijn met elkaar verbonden in de gonade, het weefsel dat eieren en sperma produceert. Deze cellen zijn gerangschikt rond een centrale cytoplasmatische "gang" en wisselen cytoplasmatisch materiaal uit dat de celgroei bevordert, en produceren uiteindelijk eicellen die klaar zijn om bevrucht te worden.

In eerdere onderzoeken, onderzoekers hebben ontdekt dat de geslachtsklieren van C. elegans meer kiemcellen genereren dan nodig is en dat slechts de helft ervan uitgroeit tot eicellen, terwijl de rest krimpt en sterft door fysiologische apoptose, een geprogrammeerde celdood die optreedt in meercellige organismen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Biotechnology Center van de TU Dresden (BIOTEC), het Max Planck Instituut voor moleculaire celbiologie en genetica (MPI-CBG), het Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) aan de TU Dresden, het Max Planck Instituut voor de Fysica van Complexe Systemen (MPI-PKS), het Strijkijzer Instituut, NY, en de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben bewijs gevonden om de vraag te beantwoorden wat deze beslissing over het lot van de cel tussen leven en dood in de kiembaan veroorzaakt.

Eerdere studies onthulden de genetische basis en biochemische signalen die fysiologische celdood veroorzaken, maar de mechanismen die apoptose in individuele kiemcellen selecteren en initiëren, bleven onduidelijk. Naarmate kiemcellen rijpen langs de gonade van de nematode, ze groeien eerst gezamenlijk homogeen in omvang en in volume. In de studie die zojuist is gepubliceerd in Natuurfysica , de wetenschappers laten zien dat deze homogene groei plotseling verschuift naar een heterogene groei waarbij sommige cellen groter worden en sommige cellen kleiner.

De onderzoeker Nicolas Chartier in de groep van Stephan Grill, en co-eerste auteur van de studie, verklaart, "Door de kiemcelvolumes en cytoplasmatische materiaalfluxen in levende wormen nauwkeurig te analyseren en door theoretische modellering te ontwikkelen, we hebben een hydraulische instabiliteit geïdentificeerd die kleine initiële willekeurige volumeverschillen versterkt, waardoor sommige kiemcellen in volume toenemen ten koste van andere die krimpen. Het is een fenomeen, die kan worden vergeleken met de instabiliteit van twee ballonnen, bekend bij natuurkundigen. Een dergelijke instabiliteit ontstaat wanneer gelijktijdig in twee rubberen ballonnen wordt geblazen in een poging ze beide op te blazen. Alleen de grotere ballon wordt opgeblazen, omdat het een lagere interne druk heeft dan de kleinere, en is daarom gemakkelijker op te blazen."

Dit is wat er speelt bij de selectie van kiemcellen:dergelijke drukverschillen hebben de neiging om de symmetrische configuratie met gelijke kiemcelvolumes te destabiliseren, zogenaamde hydraulische instabiliteiten, wat leidt tot de groei van de grotere kiemcel ten koste van de kleinere. Door het kunstmatig verminderen van kiemcelvolumes via thermoviskeus pompen (FLUCS-methode:Focused-light-geïnduceerde cytoplasmatische streaming), het team toonde aan dat de vermindering van celvolumes leidt tot hun extrusie en celdood, wat aangeeft dat zodra een cel onder een kritische grootte is, apoptose wordt geïnduceerd en de cel sterft.

Door gebruik te maken van confocale beeldvorming, de onderzoekers konden het volledige organisme van de levende worm in beeld brengen om een ​​globaal en nauwkeurig beeld te krijgen van de volumes van alle geslachtscellen, evenals de uitwisseling van vloeistoffen tussen de cellen. Stephan Grill, Spreker van het Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) en begeleider van het multidisciplinaire werk, voegt toe, "Deze bevindingen zijn erg opwindend omdat ze onthullen dat de beslissing over leven en dood in de cellen van mechanische aard is en gerelateerd is aan weefselhydraulica. Het helpt te begrijpen hoe het organisme automatisch een cel selecteert die een ei zal worden. Bovendien, de studie is een ander voorbeeld van de uitstekende samenwerking tussen biologen, natuurkundigen en wiskundigen in Dresden."