Учените изследват как силите на триене задвижват развитието на морски организъм

Докато грънчарят работи на въртящото се колело, триенето между ръцете му и меката глина му помага да я оформи във всевъзможни форми и творения. В един завладяващ паралел ооцитите (незрели яйчни клетки) на асцидиите използват триенето в различни отделения в своята вътрешност, за да претърпят промени в развитието си след зачеването.

Изследване на екип от Института за наука и технологии в Австрия (ISTA), публикувано в Nature Physics, сега описва как става това.

Асцидии, прикрепени към риф. Морският организъм е чудесен модел за изучаване на

процесите на развитие на гръбначните животни. Кредит: Wikimedia Commons

Светът на асцидиите

Морето е пълно с очарователни форми на живот. От водорасли и пъстри риби до морски охлюви и асцидии - един напълно различен свят се разкрива под водата.

Асцидиите са много необичайни: след стадия на свободно движещи се ларви, ларвите се установяват, прикрепят се към твърди повърхности като скали или корали и развиват тръбички (сифони), които са тяхната отличителна черта. Въпреки че в зряла възраст изглеждат като гумени мехури, те са най-близките до човека безгръбначни роднини. Особено в стадия ларва асцидиите са изненадващо сходни с нас.

Поради това асидиите често се използват като моделни организми за изучаване на ранното ембрионално развитие на гръбначните животни, към които принадлежи и човекът.

"Макар че асцидиите притежават основните характеристики на развитието и морфологията на гръбначните животни, те също така имат клетъчната и геномната простота, характерна за безгръбначните животни", обяснява Карл-Филип Хайзенберг (Carl-Philipp Heisenberg), професор в Института за наука и технологии в Австрия (ISTA). "Особено ларвата на асцидията е идеален модел за разбиране на ранното развитие на гръбначните животни."

Изследователите маркират актиновия белтък на актимиозиновата кора (вляво, зелено оцветяване) и миоплазмата (вдясно, синьо оцветяване), за да визуализират движението им след оплождането на яйцеклетката. При движението на актимиозиновата кора в долната част на яйцеклетката тя механично взаимодейства с миоплазмата, което я кара да се огъва. В крайна сметка прегъванията се превръщат в полюс на свиване. /видео/

Последната работа на изследователската му група, публикувана в Nature Physics, дава нов поглед върху тяхното развитие. Откритията показват, че при оплождането на яйцеклетките на асцидиите, силите на триене играят решаваща роля в преоформянето и реорганизацията на вътрешността им, което предвещава следващите стъпки в каскадата на развитието им.

Декодиране на трансформацията на яйцеклетките

Ооцитите са женски полови клетки, участващи в размножаването. След успешното оплождане с мъжки сперматозоиди животинските ооцити обикновено претърпяват цитоплазмена реорганизация, променяйки клетъчното си съдържание и компоненти. Този процес създава план за последващото развитие на ембриона. При асцидиите например това пренареждане води до образуването на камбановидна изпъкналост - малка подутина или нос, известна като полюс на свиване (CP), където се събират основните материали, улесняващи съзряването на ембриона. Основният механизъм, който движи този процес, обаче е неизвестен.

Група учени от ISTA, Université de Paris Cité, CNRS, King's College London и Sorbonne Université се заеха да разшифроват тази загадка

За тази цел групата на Хайзенберг внася възрастни асидии от морската станция Роскоф във Франция. Почти всички морски асцидии са хермафродити, тъй като произвеждат както мъжки, така и женски полови клетки. "В лабораторията ги отглеждаме в соленоводни аквариуми по подходящ за вида начин, за да получим яйцеклетки и сперматозоиди за изучаване на ранното им ембрионално развитие", разказва Силвия Кабалеро-Мансебо (Silvia Caballero-Mancebo), първи автор на това изследване и предишен докторант в лабораторията на Хайзенберг.

Формиране на полюса на свиване. Микроскопски таймлапс на промените във формата на клетките в яйцеклетките на асцидиите след оплождането: От неоплодената яйцеклетка (първата снимка отляво) до инициирането на полюса на свиване (2-ра и 3-та снимка отляво) и формирането на полюса на свиване (4-та снимка отляво). Кредит: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Учените анализират под микроскоп оплодени яйцеклетки на асцидии и осъзнават, че следват много възпроизводими промени във формата на клетките, водещи до формирането на полюса на свиване. Първото изследване на изследователите се фокусира върху актимиозиновата (клетъчна) кора - динамична структура, която се намира под клетъчната мембрана в животинските клетки. Съставена от актинови нишки и моторни протеини, тя обикновено действа като двигател на промените във формата на клетките.

"Открихме, че когато клетките се оплождат, повишеното напрежение в актимиозиновата кора я кара да се свива, което води до нейното движение (протичане), в резултат на което настъпват първоначалните промени във формата на клетката", продължава Кабалеро-Мансебо. Актомиози

Потоците на актимиозин обаче спират по време на разширяването на полюса на свиване, което предполага, че има допълнителни участници, отговорни за подутината.

Силите на триене влияят върху оформянето на клетките
Учените разглеждат по-подробно други клетъчни компоненти, които биха могли да играят роля в разширяването на полюса на свиване. По този начин те се натъкват на миоплазмата - слой, съставен от вътреклетъчни органели и молекули (чиито сродни форми се срещат в много яйцеклетки на гръбначни и безгръбначни животни), разположен в долната част на яйчната клетка на ацидията. "Този специфичен слой се държи като разтегливо твърдо тяло - той променя формата си заедно с яйцеклетката по време на оплождането", обяснява Кабалеро-Мансебо.

По време на движението на актимиозиновата кора миоплазмата се нагъва и образува множество прегъвки поради силите на триене, установени между двата компонента. Когато движението на актимиозина спре, силите на триене също изчезват. "Това спиране в крайна сметка води до разширяване на полюса на свиване, тъй като многобройните миоплазмени прегъвки се разтварят в добре очертаната камбановидна подутина", добавя Кабалеро-Мансебо.

Изследването дава нов поглед върху това как механичните сили определят формата на клетките и организмите. То показва, че силите на триене са от ключово значение за оформянето и формирането на развиващия се организъм. Учените обаче са едва в началото на разбирането на специфичната роля на триенето в ембрионалното развитие.

"Миоплазмата също е много интригуваща, тъй като тя участва в други ембрионални процеси на асцидиите. Изследването на нейните необичайни свойства на материала и разбирането как те играят роля при оформянето на асцидиите ще бъде изключително интересно",  добавя Хайзенберг.

Справка:  Silvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munro, Matilda Peruzzo, Gregory Szep, Irene Steccari, David Labrousse-Arias, Vanessa Zheden, Jack Merrin, Andrew Callan-Jones, Raphaël Voituriez, Carl-Philipp Heisenberg. Friction forces determine cytoplasmic reorganization and shape changes of ascidian oocytes upon fertilization. Nature Physics, 2024; DOI: 10.1038/s41567-023-02302-1

Източник: Stranger than friction: A force initiating life Scientists examine how friction forces propel development in a marine organism, Institute of Science and Technology Austria