La capacidad de las células para autoorganizarse en patrones específicos en tejidos que cumplen una función es una característica universal de la vida. Las rayas de una cebra, nuestras pestañas, la espiral de semillas en un girasol y los patrones de laberinto de pieles de serpiente son soloAlgunos ejemplos.
Otro patrón bien conocido y muy estudiado es el ojo compuesto de la mosca de la fruta. Este ojo es un enrejado hexagonal altamente modelado de 800 grupos de células fotorreceptoras. ¿Cómo se desarrolla una masa amorfa de células en este patrón preciso y familiar?
Investigadores de la Universidad de Northwestern han descubierto que la formación del patrón involucra fuerzas mecánicas, no solo señales químicas transmitidas entre las células. Utilizando imágenes en vivo, las primeras de su tipo, los investigadores observaron cómo las células se movían a su posición a medida que se desarrollaba el ojo; las célulasno son estáticos como se creía anteriormente. Este gran descubrimiento proporciona principios que deberían extenderse a otros sistemas de patrones.
"Hay una constelación de patrones donde quiera que mires", dijo Richard Carthew, profesor de biociencias moleculares en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg. "Pero no hay un artista maestro. En este estudio estamos tratando de entender cómo un patrón-- un patrón de gran belleza -- se forma en el cuerpo. Para nuestra sorpresa, descubrimos que las células se empujan y se colocan en posición con ciertas reglas, como un juego de ajedrez".
El estudio se publicará el 22 de febrero en la revista en línea de ciencias de la vida y biomedicinavida electrónica.
Carthew y Madhav Mani, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas en la Escuela de Ingeniería McCormick, son coautores correspondientes del artículo. Kevin Gallagher, estudiante de doctorado en biociencias moleculares y miembro del laboratorio de Carthew,es el primer autor del artículo.
"Este trabajo nos ayuda a comprender mejor cómo se construye la vida", dijo Mani, un biólogo cuantitativo. "El proceso sigue siendo misterioso. Estudiamos el ojo de la mosca de la fruta porque es un sistema modelo y se ha aprovechado para enseñarnos mucho. Hay asombrosos principios de ingeniería para aprender de la vida. Abordamos este estudio con una mente abierta y hemos aprendido algo nuevo sobre el autoensamblaje".
"Con nuestras herramientas personalizadas, pudimos ver algo que nadie más había visto antes: una vista dinámica del desarrollo del ojo", dijo Gallagher, también biólogo cuantitativo. "Que las células se movieran de lugar fue una completasorpresa. Lo que vimos no cuadraba con el paradigma histórico. Es bastante loco".
El equipo multidisciplinario usó técnicas de vanguardia desarrolladas por Gallagher para generar imágenes en vivo y analizar la dinámica del autoensamblaje del ojo. Los investigadores identificaron la nueva dinámica mecánica que, junto con las moléculas genéticas y bioquímicas, orquestan la notable hazaña.de bioingeniería que logra la mosca. También demostraron que sin las fuerzas mecánicas correctas, el ojo no se autoensambla correctamente.
Además de las imágenes en vivo, en las que el ojo se mantuvo vivo fuera del cuerpo de la mosca, el éxito del estudio dependía de una herramienta computacional que construyó Gallagher para identificar y rastrear cada célula. Esto permitió a los investigadores ver dónde estaba cada célula.transcurre durante un período de 10 horas. Dentro de una zona estrecha, llamada frente de onda del patrón, hay una pequeña cascada de celdas donde las celdas son empujadas, luego se detienen y empujan otras celdas a la posición correcta, con la familiar red hexagonal emergiendo.
"Los científicos han intentado durante 50 años visualizar el ojo en desarrollo", dijo Carthew, un biólogo experimental que ha estudiado durante mucho tiempo los ojos de la mosca de la fruta. "Solo viendo una película en tiempo real se puede entender lo que ocurre. Kevin es elprimera persona en lograr esto".
Los hallazgos de la investigación podrían usarse en bioingeniería para fabricar sensores visuales sintéticos, dijo Carthew, además de ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se forman los patrones en la naturaleza.
"Si alguna vez esperamos llegar al punto de poder hacer bioingeniería 'verdadera', como diseñamos con materia inerte, entonces es imprescindible comprender la conexión entre los principios mecánicos y químicos en juego", dijo Mani.
La investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud subvención R35GM118144, la Fundación Nacional de Ciencias subvención 1764421 y la Fundación Simons subvención 597491.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste. Original escrito por Megan Fellman. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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