Светящиеся водоросли раскрыли геометрию жизни

Автор: Кембриджский университет

Учёные впервые получили чёткое изображение скрытой архитектуры, которая помогает формировать простой многоклеточный организм, демонстрируя, как клетки работают вместе для создания сложных форм жизни.

В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда британских и немецких учёных раскрыла структуру внеклеточного матрикса у водоросли Volvox carteri. Этот вид зелёных водорослей часто используется для изучения эволюции многоклеточных организмов из одноклеточных предков.

Внеклеточный матрикс (ECM) — это каркасоподобный материал, окружающий клетки, обеспечивающий физическую поддержку, влияющий на форму и играющий важную роль в развитии и передаче сигналов. Он встречается у животных, растений, грибов и водорослей, а также сыграл ключевую роль в переходе от одноклеточной к многоклеточной жизни.

Поскольку ECM существует вне клеток, которые его производят, учёные считают, что он формируется путём самосборки — процесс, до сих пор не до конца понятный даже для простейших организмов.

Для исследования учёные из Университета Билефельда генетически модифицировали штамм Volvox, сделав ключевой белок ECM под названием феофорин II флуоресцентным. Это позволило чётко увидеть структуру матрикса под микроскопом.

Фенотип, архитектура ECM и распределение клеток V. carteri. Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2425759122

Учёные обнаружили сложную пеноподобную сеть округлых отсеков, которые окружали каждую из примерно 2000 соматических (нерепродуктивных) клеток Volvox.

Совместно с математиками из Кембриджского университета команда использовала машинное обучение для количественной оценки геометрии этих отсеков. Данные показали стохастический (случайно влияемый) характер роста, схожий с тем, как пена расширяется при гидратации.

Эти формы следовали статистическому паттерну, который также встречается в таких материалах, как зёрна и эмульсии, а также в биологических тканях. Результаты предполагают, что хотя отдельные клетки производят белки ECM с неравномерной скоростью, организм в целом сохраняет правильную сферическую форму.

Это сосуществование — между «шумным» поведением на уровне отдельных клеток и точной геометрией на уровне целого организма — ставит новые вопросы о том, как многоклеточная жизнь умудряется строить надёжные формы из ненадёжных частей.

«Наши результаты дают количественную информацию, относящуюся к фундаментальному вопросу в биологии развития: как клетки создают структуры вне себя надёжным и точным образом», — сказал профессор Раймонд Э. Голдштейн из Кембриджского университета, соавтор исследования. «Это также показывает захватывающие результаты, которых мы можем достичь, когда биологи, физики и математики работают вместе над разгадкой тайн жизни».

«Отслеживая один структурный белок, мы получили представление о принципах самоорганизации внеклеточного матрикса», — добавил профессор Армин Халльманн из Университета Билефельда, соавтор исследования. «Его геометрия даёт нам осмысленное представление о том, как организм развивается по мере роста».

Дополнительная информация: Benjamin von der Heyde et al, Spatiotemporal distribution of the glycoprotein pherophorin II reveals stochastic geometry of the growing ECM of Volvox carteri, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2425759122

Источник: University of Cambridge