Eine der grundlegenden und ewigen Fragen des Lebens betrifft den Mechanismus, durch den Leben entsteht. Nehmen wir die menschliche Entwicklung: Wie fügen sich einzelne Zellen zu komplexen Strukturen wie Haut, Muskeln, Knochen oder sogar Gehirnen, Fingern oder Stacheln zusammen? Obwohl die Antworten auf diese Fragen noch unbekannt sind, liegt eine Richtung der wissenschaftlichen Forschung im Verständnis der Embryonalentwicklung – dem Stadium, in dem sich embryonale Zellen von einer einzelnen Schicht zu einer mehrdimensionalen Struktur mit einer Hauptkörperachse entwickeln. Die Einnistung eines menschlichen Embryos erfolgt etwa 14 Tage nach der Empfängnis.
Menschliche Embryonen können in diesem Stadium noch nicht untersucht werden, daher konnten Forscher der University of California, San Diego, der University of Dundee im Vereinigten Königreich und der Harvard University die Magenbildung bei Hühnerembryonen untersuchen, die in diesem Stadium viele Ähnlichkeiten mit menschlichen Embryonen aufweisen.
Die Forschung wurde im Rahmen dessen durchgeführt, was Mattia Serra, Assistenzprofessorin für Physik an der UC San Diego, den idealen Zyklus nennt: ein interdisziplinäres Hin und Her zwischen theoretischer und experimenteller Wissenschaft. Mattia ist ein Theoretiker, der sich für die Entdeckung neuer Muster in komplexen biophysikalischen Systemen interessiert.
Entwickeln Sie prädiktive mathematische Modelle
Hier erstellten er und sein Team ein mathematisches Modell basierend auf Beiträgen von Biologen der University of Dundee. Das Modell war in der Lage, den unter einem Mikroskop beobachteten Entwicklungsfluss von Hühnerembryonen (die Bewegung Tausender Zellen im gesamten Hühnerembryo) genau vorherzusagen. Dies ist das erste Mal, dass ein mathematisches Modell der Selbstorganisation diese Ströme im Hühnerembryo reproduzieren konnte.
Anschließend wollten die Biologen herausfinden, ob das Modell nicht nur das reproduzieren kann, was sie aus Experimenten wussten, sondern auch vorhersagen kann, was unter anderen Bedingungen passieren könnte. Serras Team „störte“ das Modell, änderte also die Anfangsbedingungen oder aktuellen Parameter.
Die Ergebnisse waren überraschend: Das Modell erzeugte Zellflüsse, die bei Küken auf natürliche Weise nicht beobachtet wurden, wohl aber bei zwei anderen Wirbeltieren: Fröschen und Fischen.
Um sicherzustellen, dass es sich bei diesen Ergebnissen nicht um mathematische Illusionen des Modells handelte, ahmten die Biologie-Mitarbeiter die genauen Störungen des Modells in Hühnerembryonen im Labor nach. Überraschenderweise zeigten diese behandelten Hühnerembryonen auch den Magenbildungsprozess, der natürlicherweise bei Fischen und Fröschen beobachtet wird.
Auswirkungen und zukünftige Forschung
Die in „Science Advances“ veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, dass sich möglicherweise bei allen Wirbeltierarten die gleichen physikalischen Prinzipien entwickelt haben, die der mehrzelligen Selbstorganisation zugrunde liegen.
„Fische, Frösche und Nestlinge leben alle in unterschiedlichen Umgebungen, sodass der evolutionäre Druck möglicherweise die Parameter und Anfangsbedingungen der Embryonalentwicklung im Laufe der Zeit verändert hat“, sagte Serra. „Zumindest in den frühen Stadien der Embryonalentwicklung könnten jedoch einige der Grundprinzipien der Selbstorganisation bei allen dreien gleich sein.“
Das Forschungsteam untersucht derzeit andere Mechanismen, die selbstorganisierende Muster auf embryonaler Ebene erzeugen. Sie hoffen, dass diese Forschung die Entwicklung des Biomaterialdesigns und der regenerativen Medizin vorantreiben und den Menschen helfen wird, ein längeres und gesünderes Leben zu führen.
„Der menschliche Körper ist das komplexeste dynamische System, das es gibt“, sagte er. „Es gibt so viele interessante biologische, physikalische und mathematische Fragen zu unserem Körper – es ist erstaunlich, darüber nachzudenken. Es gibt kein Ende, was wir entdecken können.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily