Ανακαλύψεις για τον νευρικό σωλήνα και την ανάπτυξη εμβρύου
Σε περίπου 1 στα 1.000 εγκυμοσύνες, ο νευρικός σωλήνας, μια βασική δομή του νευρικού συστήματος, δεν κλείνει σωστά. Ερευνητές από το Georgia Tech συνεργάστηκαν με συναδέλφους από το University College London (UCL) ώστε να εξηγήσουν το γιατί συμβαίνει αυτό, ανακαλύπτοντας τη φυσική που διέπει το κλείσιμο του νευρικού σωλήνα στα πρώτα στάδια της εγκυμοσύνης.
Μηχανισμοί κλεισίματος του νευρικού σωλήνα
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπολογιστικά μοντέλα για να αποκαλύψουν πώς οι δυνάμεις που δημιουργούνται από τα κύτταρα κλείνουν φυσικά τον νευρικό σωλήνα – παρομοίως με ένα κορδόνι τσάντας. Αυτή η ανακάλυψη προσφέρει νέα προοπτική σε μια κρίσιμη διαδικασία, η οποία μπορεί να διακοπεί και να οδηγήσει σε σοβαρές συγγενείς ανωμαλίες όπως η σπονδυλική δυσπλασία.
Ο ρόλος της φυσικής στην ανάπτυξη
«Η κατανόηση μιας πολύπλοκης διαδικασίας όπως το κλείσιμο του νευρικού σωλήνα απαιτεί μια διεπιστημονική προσέγγιση», ανέφερε ο Σιλάδιτα Μπανερίτζ, αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Φυσικής. «Συνδυάζοντας προηγμένη βιολογική εικόνα με θεωρητική φυσική, καταφέραμε να ανακαλύψουμε τους μηχανικούς κανόνες που καθοδηγούν τα κύτταρα να κλείσουν το σωλήνα. Το εργαστήριό μου δημιουργεί υπολογιστικά μοντέλα ώστε να αποκαλύψει τους φυσικούς νόμους των ζωντανών συστημάτων. Ο νευρικός σωλήνας είναι ιδανικός στόχος γιατί απαιτεί εκπληκτική μηχανική συντονισμού.»
Η σημασία του actin
Η ομάδα του UCL δούλεψε με ποντικούς εμβρύων, που αναπτύσσονται παρόμοια με τους ανθρώπους, ενώ οι ερευνητές του Georgia Tech χρησιμοποίησαν αυτά τα δεδομένα για να κατασκευάσουν τα μοντέλα τους. Από τα δεδομένα, ταυτοποίησαν τον θεμελιώδη μηχανισμό φυσικής που επιτρέπει το κλείσιμο του νευρικού σωλήνα σε μέρη του εγκεφάλου. Αυτός ο μηχανισμός, που ονομάζεται «κορδόνι τσάντας», είναι φτιαγμένος από actin, μια ζωτικής σημασίας πρωτεΐνη που σχηματίζει τη σκελετική δομή ενός κυττάρου. Καθώς οι κορδόνες σφίγγουν, ο σωλήνας κλείνει.
Η συνεργασία των κυττάρων
«Αυτές οι μοριακές μήτρες actin είναι πολύ σημαντικές γιατί προσφέρουν στήριξη και σχήμα στα κύτταρα», εξήγησε ο Μπανερίτζ, προσθέτοντας πως «κατά τη διάρκεια του κλεισίματος του νευρικού σωλήνα, οι ίνες actin σχηματίζουν έναν κύκλο γύρω από το άνοιγμα και ενεργοποιούν μοριακούς κινητήρες – πρωτεΐνες που παράγουν δυνάμεις μέσα στα κύτταρα. Καθώς αυτοί οι κινητήρες τραβούν το actin, παράγεται τάση που σφίγγει τον κύκλο και τραβά τον σωλήνα κλειστό.»
Προοπτικές και μελλοντική έρευνα
Καθώς ο δακτύλιος actin σφίγγει, τα κύτταρα επεκτείνονται και ευθυγραμμίζονται, λειτουργώντας μαζί με συγχρονισμό, όπως ένα κοπάδι ψαριών. Αυτή η συνεργασία επιτρέπει στα κύτταρα να κινηθούν πιο γρήγορα και αποτελεσματικά, αυξάνοντας την τάση και δημιουργώντας ένα βρόχο ανατροφοδότησης που βοηθά στο κλείσιμο του νευρικού σωλήνα. Η ομάδα δημιούργησε ένα υπολογιστικό μοντέλο για να δείξει πώς αυτός ο βρόχος ανατροφοδότησης οδηγεί στην επιτυχία σχηματισμού του νευρικού σωλήνα. Μελλοντική έρευνα χρησιμοποιώντας το μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση του γιατί ο νευρικός σωλήνας αποτυγχάνει να κλείσει.
«Η φυσική-βασισμένη μοντελοποίηση των μηχανικής των κυττάρων και ιστών μας επιτρέπει να συνδέσουμε τα σημεία μεταξύ των αναπτυξιακών σταδίων με έναν τρόπο που είναι τόσο αξιόπιστος όσο και ποσοτικός, προσομοιώνοντας πειράματα που είναι αδύνατο να γίνουν σε βιολογικούς ιστούς», δήλωσε ο Γκάμπριελ Γκάλεα, συν-συγγραφέας της μελέτης και επικεφαλής της ομάδας του UCL. «Στην προκειμένη περίπτωση, μας επέτρεψε να εξηγήσουμε πώς η μηχανική εμπειρία ενός κυττάρου επηρεάζει τις τρέχουσες και μελλοντικές του μορφές κατά τη διάρκεια ενός κρίσιμου βήματος στην ανάπτυξη του εγκεφάλου.»
Πέρα από την ανάπτυξη του νευρικού σωλήνα, τα ευρήματα αναδεικνύουν τη δύναμη της φυσικής-βασισμένης μοντελοποίησης για να εξηγήσουν πολύπλοκες βιολογικές διαδικασίες που δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα. Οι ερευνητές δηλώνουν ότι αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλα στάδια της ανθρώπινης ανάπτυξης, όπου οι δυνάμεις, η κίνηση και ο χρόνος είναι εξίσου κρίσιμα.
