Свет поможет управлять складыванием тканей в эмбрионах

/ НаукаНовости / Наука

Перепрограммирование белков, регулирующих силу внутри клеток, для управления их поведением с помощью света определённых длин волн. Вид сбоку на небольшую группу оптогенетически активированных клеток, образующих борозду внутрь эмбриона (верхнее изображение, слева); Вид сбоку на большую группу оптогенетически активированных клеток, изгибающихся наружу эмбриона (нижнее изображение, слева); Вид сверху на большую группу оптогенетически активированных клеток, изгибающихся наружу эмбриона (в центре); Паттерны миозина – сократительного белка – связанные с оптогенетической активацией большой группы клеток (справа). Автор: Эндрю Кантримен/лаборатория Касцы

Сложные трёхмерные формы мозга, лёгких, глаз, рук и других жизненно важных структур организма возникают из того, как плоские двумерные слои клеток складываются во время эмбрионального развития. Теперь исследователи из Колумбийского университета разработали новый способ использования света для влияния на собственные белки животного с целью управления складыванием в живых эмбрионах.

Эти новые результаты, подробно описанные в Nature Communications, могут однажды привести к множеству применений в биоробототехнике и медицинских исследованиях.

«Возможность точно контролировать форму складок в тканевых слоях – это фундаментальный шаг к «тканевому оригами», которое можно использовать для изучения трёхмерной биологии тканей вне развивающихся эмбрионов или для создания и управления движением крошечных машин или роботов из живых биологических клеток», – сказала Карен Касца, доцент кафедры машиностроения в Колумбийском университете и старший автор исследования.

От плоских листов к сложным структурам

Один из основных способов, с помощью которого развивающиеся эмбрионы строят свои органы, – это образование борозд, то есть они формируют карманы в тканях, которые в конечном итоге становятся местами складок. «Подобно тому, как плоский лист бумаги можно сложить в журавлика, плоскую эмбриональную ткань можно сложить в предшественник органа», – сказал Эндрю Кантримен, докторант биомедицинской инженерии в Колумбийском университете и первый автор исследования.

Предыдущие исследования разработали множество инструментов для манипулирования белками и другими молекулами, которые направляют поведение клеток. Однако учёным не хватало аналогичных методов для систематического контроля механических сил, которые в конечном итоге формируют эмбрионы.

В новом исследовании Касца, Кантримен и их коллеги экспериментировали с плодовой мушкой, обычным лабораторным животным. «Поскольку процессы развития и механизмы высоко консервативны у всех животных, эти открытия у плодовых мушек дают представление о развитии всех животных, включая людей», – сказал Кантримен.

Светочувствительные инструменты, созданные с помощью CRISPR

Исследователи модифицировали белки, которые клетки используют для генерации механических сил, сделав эти молекулы чувствительными к свету. Проецируя узоры из световых волн определённой длины на эмбрионы плодовых мушек, генетически модифицированные для производства этих белков, они могли, в свою очередь, контролировать паттерны сил во время их развития.

Новое исследование использовало систему редактирования генов CRISPR-Cas9 для добавления светочувствительного модуля к генам, естественно существующим у плодовых мушек. Получившиеся молекулы стали первыми инструментами, которые позволяют учёным использовать свет для контроля собственных генов животного с целью направления механических сил в живых эмбрионах.

Они также являются первыми инструментами, которые позволяют учёным использовать свет для управления силами, генерируемыми клетками, настраиваемым образом, а не просто включать и выключать такие силы, сказал Кантримен.

Исследователи специально модифицировали белки, которые помогают клеткам сокращаться, – один из методов, с помощью которого ткани могут генерировать борозды. Получившиеся инструменты, названные эндогенными OptoRhoGEFs, помогли учёным обнаружить, что глубина борозды зависит от количества этих связанных с сокращением белков, которые вызываются к мембране клетки. Они также обнаружили, что жёсткие слои белков внутри эмбрионов могут dramatically влиять на способы образования борозд в тканях.

Последствия для здоровья человека

«Подобно эмбрионам мух, эмбрионы человека широко используют процессы образования борозд во время развития», – сказал Кантримен. «Неспособность тканей правильно образовывать борозды связана с распространёнными и разрушительными врождёнными нарушениями, такими как расщепление позвоночника. Улучшенное понимание процессов развития поможет выявлять и лечить эти состояния».

Эта новая техника может однажды помочь учёным лучше анализировать развитие тканей и органов, а также заболевания, используя свет для складывания базовых слоёв клеток в сложные трёхмерные структуры в лаборатории вместо более сложных сред внутри живых животных, сказал Кантримен.

Кроме того, «небольшие, управляемые, клеточные машины имеют promising применение в медицинских контекстах, где они могут служить биосовместимыми зондами во время медицинских процедур», – добавил он. «Они также могут использоваться в качестве небольших, водных, дистанционно управляемых транспортных средств для исследования и изучения новых сред».

В будущем исследователи надеются использовать свою новую стратегию для изучения других способов образования борозд в тканях, а также других типов поведения тканей, кроме образования борозд, таких как изгибание, растяжение и течение.

«Эти основные режимы деформации ткани используются в различных комбинациях и последовательностях для построения широкого разнообразия тканей, органов и форм тела», – сказал Кантримен.

Больше информации: Эндрю Д. Кантримен и др., Эндогенные OptoRhoGEFs раскрывают биофизические принципы образования борозд в эпителиальной ткани, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62483-6

Источник: Columbia University School of Engineering and Applied Science

Подписаться на обновления Новости / Наука
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы отключить рекламу

ℹ️ Помощь от ИИ

В статье есть ошибки или у вас есть вопрос? Попробуйте спросить нашего ИИ-помощника в комментариях и он постарается помочь!

⚠️ Важно:

• AI Rutab читает ваши комментарии и готов вам помочь.
• Просто задайте вопрос 👍
• ИИ может давать неточные ответы!
• ИИ не скажет «Я не знаю», но вместо этого может дать ошибочный ответ.
• Всегда проверяйте информацию и не полагайтесь на него как на единственный источник.
• К ИИ-помощнику можно обратиться по имени Rutab или Рутаб.

Топ дня 🌶️


0 комментариев

Оставить комментарий


Все комментарии - Наука