Доклад в майской проблеме журнала Developmental Dynamics показывает, что биологи из Университета Тафтса, впервые, обнаружили «самокорректирующийся» механизм, которым развивающиеся организмы признают и восстанавливают главные и лицевые патологии.Это – первый раз, когда этот вид гибкого, корректирующего процесса был строго проанализирован посредством математического моделирования.
Исследование демонстрирует, что развивающиеся организмы генетически «не соединены проводами», но что процесс, вместо этого, более гибок и прочен. При помощи модели головастика с рядом предопределенных движений клетки, приводящих к нормальным чертам лица, они продемонстрировали, что группы клетки могут измерить свою форму и положение в отношении к другим органам, а также выполнение требуемых движений и ремоделирование функций, чтобы дать компенсацию за важные патологии в структурах.Старший научный сотрудник, Майкл Левин, доктор философии, директор Центра Регенеративной и Биологии развития в Школе Университета Тафтса Искусств и Наук объяснили:«Большой вопрос всегда был, как действительно объединяют формы как лицо, или целый эмбрион соединил себя? Мы нашли, что, когда мы создали дефекты в лице экспериментально, лицевые структуры перемещаются в различных способах и главным образом заканчиваются в их правильных положениях.
Это предполагает, что то, что геном кодирует в конечном счете, является рядом динамических, гибких поведений, которыми клетки в состоянии внести изменения, чтобы построить определенные сложные структуры. Если мы могли бы изучить, как к системам биоинженера, надежно самособравшим и восстановившим отклонения от желаемой целевой формы, регенеративной медицины, робототехники, и даже исследование космоса будет преобразовано».Более раннее исследование обнаружило самокорректирующиеся механизмы в других эмбриональных процессах, все же никогда в лице.
Эти механизмы не были проанализированы математически, чтобы пролить свет на точную динамику корректирующего процесса.Ведущий исследователь, Лаура Фанденберг, доктор философии, постдокторский партнер в Центре Регенеративной и Биологии развития сказал:«Что отсутствовало в предыдущих исследованиях – и к нашему знанию никогда не делался в модели животных – должен был точно отслеживать те изменения в течение долгого времени и количественно сравнивать их».Анализ как это жизненно важен для того, чтобы получить сведения о том, какая информация сгенерирована и управляется так, чтобы сложная структура могла перестроить и восстановить себя.
Команда биологов сделала одну сторону эмбрионов патологической путем впрыскивания определенной МРНК в одну клетку в этапе развития с двумя клетками, вызвавшем черепно-лицевые дефекты в эмбрионах лягушки Xenopus.Они тогда характеризовали изменения черепно-лицевых структур с точки зрения их формы и положения, включая челюсти, глаза, жаберные арки, ушные капсулы и обонятельные ямки путем выполнения ‘геометрического морфометрического анализа’, измеряющего положение 32 ориентиров на верхних и нижних сторонах головастиков.
Путем взятия изображений головастиков в точных интервалах исследователи заметили, что черепно-лицевые патологии (волнения), в частности в челюстях и жаберных арках стали менее очевидными как головастики в возрасте. Они также отметили, что ткань глаза и носа головастиков становилась более нормальной в течение долгого времени, несмотря на то, что они действительно отмечали различные различия в достижении полностью ожидаемой формы и положения.
У любого молодого животного это – нормальная часть развития, которое черты лица изменяют с точки зрения их формы и положения. Поскольку животное становится старше, их лица удлиняются и их глаза, нос и челюсти растут друг относительно друга, даже при том, что движение является обычно довольно крайним.
Команда заметила, однако, что у головастиков с тяжелым пороком развития, главное существенное изменение произошло в лицевых структурах, чтобы восстановить те пороки развития. Они заявили, что появилось, как будто система смогла обнаружить отклонения от нормального состояния и выполнить корректирующие действия, которые не будут, как правило, иметь место.Фанденберг объявил:«Мы были вполне изумлены, чтобы видеть, что, задолго до того, как они перенесли метаморфоз и стали лягушками, у этих головастиков были нормально выглядящие лица. Вообразите применения животного с тяжелым ‘врожденным дефектом’, который, с одним только временем, может исправить тот дефект».
Биологи заявляют, что результаты исследования были соответствующими процессу обмена информацией, в котором структура разбивает на треугольники свое расстояние и угол от стабильного ориентира. Они говорят, что несмотря на то, что дальнейшие исследования требуются, они предлагают обменять ‘звоны’, т.е. сигналы, содержащие информацию между ‘центром организации’ как мозговая и нейронная сеть и отдельными черепно-лицевыми структурами.
Исследователи выдвигают на первый план факт, что врожденные дефекты, такие как заячьи губы, волчья пасть и microphthalmia влияют по каждому 600-му рождению. Новые подходы исправления этих врожденных дефектов, принадлежащих категории врожденных аномалий черепно-лицевых структур, могли потенциально быть исправлены у людей путем проведения дальнейших исследований на молекулярном уровне, который прольет больше света на «фиксирующую лицо» динамику.Левин завершил:«Такое понимание имело бы огромные последствия не только для восстановления врожденных дефектов, но также и для других областей науки сложности и системной биологии.
Это могло помочь нам построить биоспроектированные системы гибрида для синтетической или регенеративной биологии или совершенно искусственных автоматизированных систем, которые могут восстановить себя после повреждения или повторно формировать их собственную структуру, чтобы соответствовать изменяющимся потребностям в сложной среде».