Το μικρότερο ψάρι στον κόσμο, το Paedocypris, έχει μέγεθος μόλις 7 χιλιοστά. Αυτό δεν είναι τίποτα μπροστά στα 9 μέτρα του φαλαινοκαρχαρία. Το μικρό ψάρι μοιράζεται πολλά από τα ίδια γονίδια και την ίδια ανατομία με τον καρχαρία, αλλά τα ραχιαία και ουραία πτερύγια, τα βράγχια, το στομάχι και η καρδιά, είναι χιλιάδες φορές μικρότερα! Πώς τα όργανα και οι ιστοί αυτού του μικροσκοπικού ψαριού σταματούν να αναπτύσσονται πολύ γρήγορα, σε αντίθεση με εκείνα του γιγάντιου ξαδέλφου τους; Μια διεπιστημονική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE), στην Ελβετία, και το Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική των Πολύπλοκων Συστημάτων (MPIPKS), στη Γερμανία, κατάφερε να απαντήσει σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα μελετώντας τη φυσική του και χρησιμοποιώντας μαθηματικές εξισώσεις, όπως αποκαλύπτει η εργασία τους που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature.
Τα κύτταρα ενός αναπτυσσόμενου ιστού πολλαπλασιάζονται και οργανώνονται υπό τη δράση σηματοδοτικών μορίων, των μορφογόνων. Πώς όμως γνωρίζουν ποιο μέγεθος είναι το κατάλληλο για τον ζωντανό οργανισμό στον οποίο ανήκουν; Οι ερευνητικές ομάδες του Marcos Gonzalez-Gaitan, καθηγητή στο Τμήμα Βιοχημείας της Σχολής Θετικών Επιστημών του UNIGE και του Frank Jülicher διευθυντή στο MPIPKS της Δρέσδης, έλυσαν αυτό το μυστήριο παρακολουθώντας ένα συγκεκριμένο μορφογόνο στα κύτταρα ιστών διαφορετικών μεγεθών στην καρποφόρα μύγα Drosophila.
Στη μύγα Drosophila, το μορφογόνο Decapentaplegic (DPP), ένα μόριο που απαιτείται για το σχηματισμό των δεκαπέντε (deca-penta) εξαρτημάτων (φτερά, κεραίες, κάτω γνάθους) διαχέεται από μια εντοπισμένη πηγή μέσα στον αναπτυσσόμενο ιστό και στη συνέχεια σχηματίζει φθίνουσες βαθμίδες συγκέντρωσης (ή βαθμιαίες μεταβολές) καθώς απομακρύνεται από την πηγή. Σε προηγούμενες μελέτες, η ομάδα του Marcos Gonzalez-Gaitan, σε συνεργασία με τη γερμανική ομάδα, έδειξε ότι αυτές οι κλίσεις συγκέντρωσης του DPP εκτείνονται σε μεγαλύτερη ή μικρότερη περιοχή ανάλογα με το μέγεθος του αναπτυσσόμενου ιστού. Έτσι, όσο μικρότερος είναι ένας ιστός, τόσο μικρότερη είναι η εξάπλωση της βαθμίδας DPP από την πηγή διάχυσης. Από την άλλη πλευρά, όσο μεγαλύτερος είναι ένας ιστός, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξάπλωση της βαθμίδας μορφογόνου DPP. Ωστόσο, παρέμενε το ερώτημα πώς αυτή η κλίση συγκέντρωσης κλιμακώνεται ανάλογα με το αυξανόμενο μέγεθος του μελλοντικού ιστού/οργάνου.
Μια διεπιστημονική προσέγγιση για την επίλυση ενός σημαντικού βιολογικού ερωτήματος
“Η πρωτότυπη προσέγγιση της ομάδας μου, που αποτελείται από βιολόγους, βιοχημικούς, μαθηματικούς και φυσικούς, είναι να αναλύουμε τι συμβαίνει στο επίπεδο κάθε κυττάρου, αντί να τοποθετούμε τις παρατηρήσεις μας σε κλίμακα του ιστού”, σχολιάζει ο Marcos Gonzalez-Gaitan. “Το κεντρικό σημείο είναι να αντιμετωπίζουμε τη ζωντανή ύλη σαν να ήταν απλώς ύλη, δηλαδή να μελετάμε τη βιολογία με τις αρχές της φυσικής“, λέει ο Frank Jülicher. Οι δύο ομάδες έχουν αναπτύξει μια σειρά από εξελιγμένα εργαλεία για να παρακολουθούν την τύχη του μορίου DPP μέσα και μεταξύ των κυττάρων ενός ιστού με μεγάλη ακρίβεια χρησιμοποιώντας τεχνικές ποσοτικής μικροσκοπίας. “Τα εργαλεία αυτά μας επέτρεψαν να καθορίσουμε ένα πλήθος παραμέτρων, που συνδέονται με κυτταρικές διεργασίες, για αυτό το μορφογόνο. Για παράδειγμα, μετρήσαμε την αποτελεσματικότητα με την οποία συνδέεται με τα κύτταρα, διεισδύει στο εσωτερικό των κυττάρων, αποικοδομείται ή ανακυκλώνεται από το κύτταρο πριν διαχυθεί πίσω σε άλλα κύτταρα. Συνοπτικά, μετρήσαμε όλα τα σημαντικά στάδια μεταφοράς του DPP”, εξηγεί η Μαρία Ρομάνοβα Μιχαηλίδη, ανώτερη ερευνήτρια στο Τμήμα Βιοχημείας και πρώτη συγγραφέας της μελέτης.
Ο μηχανισμός κλιμάκωσης εξηγείται από μια μαθηματική εξίσωση
Οι επιστήμονες συνέλεξαν όλα αυτά τα δεδομένα για το DPP σε κύτταρα που ανήκουν σε ιστούς διαφορετικών μεγεθών σε φυσιολογικές μύγες και σε μεταλλάξεις που δεν κατάφεραν να κλιμακωθούν. Διαπίστωσαν ότι είναι αυτά τα διαφορετικά επιμέρους βήματα μεταφοράς που καθορίζουν την έκταση της διαβάθμισης. Έτσι, σε έναν μικρό ιστό, το μόριο DPP εξαπλώνεται κυρίως με διάχυση μεταξύ των κυττάρων. Επομένως, η συγκέντρωσή του πέφτει αρκετά γρήγορα γύρω από την πηγή του λόγω της αποδόμησης, αποδίδοντας μια στενή κλίση. Από την άλλη πλευρά, σε μεγαλύτερους ιστούς, τα μόρια DPP που πήγαν στο εσωτερικό των κυττάρων ανακυκλώνονται επίσης σε μεγάλο βαθμό, καθιστώντας δυνατή την επέκταση της κλίσης σε μεγαλύτερη περιοχή. “Καταφέραμε επιτέλους να προτείνουμε μια αμερόληπτη, ενοποιημένη θεωρία της μεταφοράς μορφογόνων, φτάνοντας μέχρι τις βασικές εξισώσεις του συστήματος και να αποκαλύψουμε τον μηχανισμό της κλιμάκωσης!” ενθουσιάζεται η Μαρία Ρομάνοβα.
Ο συνδυασμός θεωρητικής φυσικής και πειραματικών προσεγγίσεων, που καθιερώθηκε από τη μελέτη του μορίου DPP στη Drosophila, μπορεί να γενικευτεί σε άλλα μόρια που εμπλέκονται στο σχηματισμό διαφόρων αναπτυσσόμενων ιστών. “Η μοναδική και διεπιστημονική προσέγγισή μας μάς επιτρέπει να δώσουμε μια καθολική απάντηση σε ένα θεμελιώδες βιολογικό ερώτημα που ήδη ο Αριστοτέλης έθετε στον εαυτό του πριν από σχεδόν 2.500 χρόνια: πώς ξέρει ένα αυγό πότε πρέπει να σταματήσει να αναπτύσσεται για να γίνει κοτόπουλο;” καταλήγει ο Marcos Gonzalez-Gaitan.