Таинственный танец эмбрионов крикета

В июне 100 ученых-дрозофилов собрались на греческом острове Крит на встречу, проводимую раз в два года. Среди них была Кассандра Экставур, канадский генетик из Гарвардского университета. Ее лаборатория работает с плодовыми мушками для изучения эволюции и развития — «эво дево». Чаще всего такие ученые выбирают в качестве своего «модельного организма» вид Drosophila melanogaster — крылатую рабочую лошадку, послужившую соавтором насекомых как минимум в нескольких Нобелевских премиях по физиологии и медицине.

Но доктор Экставур также известен тем, что культивирует альтернативные виды в качестве модельных организмов. Она особенно увлекается сверчком, особенно Gryllus bimaculatus, двупятнистым полевым сверчком, хотя он еще не пользуется ничем рядом с плодовой мухой. (Примерно 250 главных исследователей подали заявки на участие во встрече на Крите.)

«Это сумасшествие», — сказала она во время видеоинтервью из своего гостиничного номера, отмахиваясь от жука. «Если бы мы попытались провести встречу со всеми руководителями лабораторий, работающих над этим видом сверчка, нас могло бы быть пятеро или 10».

Сверчков уже привлекли к изучению циркадных часов, регенерации конечностей, обучению, памяти; они служили моделями болезней и фармацевтическими фабриками. Настоящие эрудиты, сверчки! Они также становятся все более популярными в качестве продуктов питания, покрытых шоколадом или нет. С эволюционной точки зрения сверчки дают больше возможностей узнать о последнем общем предке насекомых; они имеют больше общих черт с другими насекомыми, чем плодовые мушки. (Примечательно, что насекомые составляют более 85 процентов видов животных.)

Исследование доктора Экставур направлено на изучение основ: как работают эмбрионы? И что это может рассказать о том, как появилось первое животное? Каждый эмбрион животного проходит похожий путь: одна клетка становится многими, затем они располагаются слоем на поверхности яйца, обеспечивая ранний план для всех частей тела взрослого человека. Но как клетки эмбриона — клетки с одинаковым геномом, но не все из них делают одно и то же с этой информацией — знают, куда идти и что делать?

— Это для меня загадка, — сказал доктор Экставур. «Это всегда то место, куда я хочу пойти».

Сет Доноух, биолог и исследователь данных из Чикагского университета и выпускник лаборатории доктора Экставура, описал эмбриологию как исследование того, как развивающееся животное создает «нужные части в нужном месте в нужное время». В одном из новых исследований, демонстрирующих удивительное видео эмбриона сверчка, показывающее определенные «правильные части» (ядра клеток), движущиеся в трех измерениях, доктор Экставур, доктор Доноу и их коллеги обнаружили, что старая добрая геометрия играет главную роль.

Люди, лягушки и многие другие широко изученные животные начинаются как одна клетка, которая сразу же снова и снова делится на отдельные клетки. У сверчков и большинства других насекомых сначала делится только клеточное ядро, образуя множество ядер, которые путешествуют по общей цитоплазме и только позже образуют собственные клеточные мембраны.

В 2019 году Стефано Ди Талия, биолог количественного развития из Университета Дьюка, изучил движение ядер у плодовой мушки и показал, что они переносятся пульсирующими потоками в цитоплазме — немного похоже на то, как листья движутся по вихрям медленного ветра. -движущийся поток.

Но в эмбрионе сверчка работал какой-то другой механизм. Исследователи часами наблюдали и анализировали микроскопический танец ядер: светящиеся кусочки делились и двигались по загадочной схеме, не совсем упорядоченно, не совсем случайно, в разных направлениях и с разной скоростью, причем соседние ядра синхронизировались больше, чем далекие. Спектакль представлял собой хореографию, выходящую за рамки простой физики или химии.

«Геометрия, которую принимают ядра, является результатом их способности ощущать и реагировать на плотность других ядер рядом с ними», — сказал доктор Экставур. Доктор Ди Талия не участвовала в новом исследовании, но нашла его интересным. «Это прекрасное исследование прекрасной системы, имеющей большое биологическое значение», — сказал он.

Исследователи крикета поначалу использовали классический подход: смотри внимательно и обращай внимание. «Мы только что посмотрели его, — сказал доктор Экставур.

Они сняли видео с помощью микроскопа с лазерным излучением: снимки зафиксировали танец ядер каждые 90 секунд в течение первых восьми часов развития эмбриона, за это время в цитоплазме накопилось около 500 ядер. (Сверчки вылупляются примерно через две недели.)

Как правило, биологический материал прозрачен и его трудно увидеть даже в самый навороченный микроскоп. Но Таро Накамура, в то время постдоктор в лаборатории доктора Экставура, а ныне специалист по биологии развития в Национальном институте фундаментальной биологии в Окадзаки, Япония, сконструировал особую породу сверчков с ядрами, светящимися флуоресцентно-зеленым светом. Как рассказал доктор Накамура, когда он записал развитие эмбриона, результаты были «поразительными».

По словам доктора Доноу, это была «отправная точка» для исследовательского процесса. Он перефразировал замечание, которое иногда приписывают писателю-фантасту и профессору биохимии Айзеку Азимову: «Часто вы не говорите «Эврика!» когда вы что-то обнаруживаете, вы говорите: «Ага. Это странно.'”

Первоначально биологи смотрели видео в цикле, проецируя его на экран конференц-зала — крикетный эквивалент IMAX, учитывая, что эмбрионы размером примерно в одну треть зерна (длиннозернистого) риса. Они пытались обнаружить закономерности, но наборы данных были ошеломляющими. Им нужно было больше количественной смекалки.

Доктор Доноу связался с Кристофером Райкрофтом, прикладным математиком, который сейчас работает в Университете Висконсин-Мэдисон, и показал ему танцующие ядра. ‘Ух ты!’ — сказал доктор Райкрофт. Он никогда не видел ничего подобного, но увидел потенциал совместной работы на основе данных; он и Джордан Хоффманн, в то время докторант в лаборатории доктора Райкрофта, присоединились к исследованию.

В ходе многочисленных просмотров команда математиков-биологов обдумывала множество вопросов: сколько было ядер? Когда они начали делиться? В каких направлениях они шли? Где они оказались? Почему одни носились, а другие ползали?

Доктор Райкрофт часто работает на стыке биологических и физических наук. (В прошлом году он опубликовал статью о физике смятия бумаги.) «Математика и физика добились больших успехов в выводе общих правил, которые широко применяются, и этот подход может также помочь в биологии», — сказал он; Доктор Экставур сказал то же самое.

Команда провела много времени, обдумывая идеи у доски, часто рисуя картинки. Эта проблема напомнила доктору Райкрофту диаграмму Вороного, геометрическую конструкцию, которая делит пространство на непересекающиеся подобласти — многоугольники или ячейки Вороного, каждая из которых исходит из исходной точки. Это универсальная концепция, которая применима к таким разным вещам, как скопления галактик, беспроводные сети и характер роста лесных пологов. (Стволы деревьев — это семенные точки, а кроны — это клетки Вороного, тесно прижимающиеся друг к другу, но не вторгающиеся друг в друга — явление, известное как застенчивость кроны.)

В контексте сверчка исследователи вычислили клетку Вороного, окружающую каждое ядро, и заметили, что форма клетки помогает предсказать направление, в котором ядро ​​будет двигаться дальше. По сути, как сказал доктор Доноу, «ядра имели тенденцию перемещаться в ближайший открытый космос».

Он отметил, что геометрия предлагает абстрактное представление о клеточной механике. «На протяжении большей части истории клеточной биологии мы не могли напрямую измерять или наблюдать механические силы», — сказал он, хотя было ясно, что в дело вступают «двигатели, толчки и толчки». Но исследователи могли наблюдать геометрические узоры более высокого порядка, создаваемые этой клеточной динамикой. «Итак, думая о расстоянии между клетками, размерах клеток, форме клеток — мы знаем, что они возникают из-за механических ограничений в очень мелких масштабах», — сказал доктор Доноу.

Чтобы извлечь такого рода геометрическую информацию из видео крикета, д-р Доноух и д-р Хоффманн шаг за шагом отслеживали ядра, измеряя местоположение, скорость и направление.

«Это нетривиальный процесс, и в конечном итоге он включает в себя множество форм компьютерного зрения и машинного обучения», — сказал доктор Хоффманн, прикладной математик, работающий сейчас в DeepMind в Лондоне.

Они также проверили результаты программного обеспечения вручную, щелкнув 100 000 позиций, связав линии ядер в пространстве и времени. Доктору Хоффманну это показалось утомительным; Доктор Доноу думал об этом как об игре в видеоигру, «мчащейся на высокой скорости через крошечную вселенную внутри одного эмбриона, сшивая воедино нити путешествия каждого ядра».

Затем они разработали вычислительную модель, которая проверяла и сравнивала гипотезы, объясняющие движение и положение ядер. В целом они исключили цитоплазматические потоки, которые доктор Ди Талия наблюдал у плодовой мушки. Они опровергли случайное движение и представление о том, что ядра физически отталкивают друг друга.

Вместо этого они пришли к правдоподобному объяснению, опираясь на другой известный механизм у эмбрионов плодовых мушек и круглых червей: миниатюрные молекулярные моторы в цитоплазме, которые вытягивают скопления микротрубочек из каждого ядра, мало чем отличаясь от полога леса.

Команда предположила, что аналогичный тип молекулярной силы втягивал ядра сверчков в незанятое пространство. «Молекулы вполне могут быть микротрубочками, но мы не знаем этого наверняка», — сказал доктор Экставур в электронном письме. «В будущем нам придется провести больше экспериментов, чтобы выяснить это».

Эта крикетная одиссея была бы неполной без упоминания о изготовленном на заказ доктором Доноу «устройстве для сужения эмбрионов», которое он построил для проверки различных гипотез. Он воспроизвел технику старой школы, но был мотивирован предыдущей работой с доктором Экставуром и другими над эволюцией размеров и форм яиц.

Эта хитроумная штуковина позволила доктору Доноу выполнить кропотливую задачу, намотав человеческий волос вокруг яйца сверчка, тем самым сформировав две области, одна из которых содержала исходное ядро, а другая — частично отщипнутый придаток.

Затем исследователи снова наблюдали за ядерной хореографией. В исходной области ядра замедлялись, когда достигали скученной плотности. Но когда несколько ядер прокрались по туннелю в сужении, они снова ускорились, сорвавшись, как лошади на открытом пастбище.

Это было самым убедительным доказательством того, что движение ядер определяется геометрией, сказал доктор Доноу, и «не контролируется глобальными химическими сигналами, или потоками, или почти всеми другими гипотезами о том, что могло бы правдоподобно координировать поведение всего эмбриона».

К концу исследования команда накопила более 40 терабайт данных на 10 жестких дисках и усовершенствовала вычислительную геометрическую модель, которая пополнила набор инструментов сверчка.

«Мы хотим сделать эмбрионы сверчков более универсальными для работы в лаборатории, — сказал доктор Экставур, — то есть сделать их более полезными для изучения еще большего числа аспектов биологии».

Модель может имитировать яйцо любого размера и формы, что делает ее полезной в качестве «испытательного полигона для других эмбрионов насекомых», — сказал доктор Экставур. Она отметила, что это позволит сравнивать различные виды и глубже исследовать историю эволюции.

Но самой большой наградой исследования, по мнению всех исследователей, был дух сотрудничества.

«Есть место и время для специализированных знаний», — сказал доктор Экставур. «Так же часто, как и в научных открытиях, нам нужно открывать себя людям, которые не так заинтересованы в каком-либо конкретном результате, как мы».

Вопросы, заданные математиками, были «свободны от всякого рода предубеждений», — сказал доктор Экставур. — Это самые волнующие вопросы.

Leave a Comment