Cercetarea explică fizica închiderii tubului neural în embrioni
În aproximativ una din fiecare 1.000 de sarcini, tubul neural, o structură esențială a sistemului nervos, nu se închide corect.
Cercetătorii de la Georgia Tech contribuie acum la înțelegerea acestui fenomen, descoperind fizica care stă la baza închiderii tubului neural în primele etape ale sarcinii.
Colaborând cu specialiști de la University College London (UCL), cercetătorii de la Georgia Tech au utilizat modele computerizate pentru a revela modul în care, în timpul dezvoltării timpurii, forțele generate de celule trag fizic tubul neural, închizându-l, asemănător cu un șnur de prindere. Această descoperire oferă o nouă perspectivă asupra unui proces critic care, atunci când este perturbat, poate duce la defecte severe la naștere, cum ar fi spina bifida.
„Înțelegerea unui proces de dezvoltare complex, precum închiderea tubului neural, necesită o abordare interdisciplinară”, a declarat Shiladitya Banerjee, un profesor asociat în cadrul Școlii de Fizică. „Prin combinarea imagisticii biologice avansate cu fizica teoretică, am reușit să descoperim regulile mecanice care determină celulele să închidă tubul. Laboratorul meu construiește modele computaționale pentru a descoperi regulile fizice ale sistemelor vii. Tubul neural reprezintă un obiectiv ideal, deoarece formarea lui necesită o coordonare mecanică incredibilă.”
Rezultatele cercetării au fost prezentate în revista Current Biology.
În cadrul studiului, echipa de la UCL a examinat embrioni de șoareci, care se dezvoltă similar cu oamenii, iar cercetătorii de la Georgia Tech au folosit aceste date pentru a construi modelele lor. Din aceste date, au identificat mecanismul fizic fundamental care permite închiderea tubului neural în partea creierului. Acest mecanism, denumit „purse string”, este format din actină, o proteină esențială care formează structura scheletică a celulelor. Pe măsură ce șnururile se strâng, tubul se închide.
„Aceste molecule de actină sunt foarte importante deoarece oferă rigiditate și formă celulelor”, a spus Banerjee.
„În timpul închiderii tubului neural, filamenturile de actină formează un inel în jurul deschiderii și angajează motoare moleculare – proteine care generează forțe în interiorul celulelor”, a explicat el. „Pe măsură ce aceste motoare trag de actină, ele generează tensiune care strânge inelul și trage tubul închis.”
Pe măsură ce inelul de actină se strânge, celulele se întind și se alungesc, ceea ce le face să se alinieze și să se miște împreună într-un model sincronizat, la fel ca o turmă de pești. Această coordonare permite celulelor să se miște mai repede și mai eficient, crescând tensiunea și generând un ciclu de feedback care contribuie la închiderea tubului neural.
Echipa a construit un model computerizat pentru a demonstra cum acest ciclu de feedback duce la formarea cu succes a tubului neural. Cercetări suplimentare utilizând modelul ar putea ajuta la explicarea motivelor pentru care tubul neural eșuează să se închidă.
„Modelarea mecanicii celulare și tisulare bazate pe fizică ne permite să conectăm etapele dezvoltării într-un mod robust și cantitativ, simulând experimente imposibile în țesuturile biologice”, a declarat Gabriel Galea, coautor al studiului și lider de grup la UCL. „În acest caz, ne-a permis să explicăm modul în care experiența mecanică a unei celule influențează formele sale actuale și viitoare în timpul unei etape critice a dezvoltării creierului.”
Dincolo de dezvoltarea tubului neural, rezultatele subliniază puterea modelării bazate pe fizică pentru a explica procesele biologice complexe care nu pot fi observate direct. Cercetătorii afirmă că această abordare ar putea fi aplicată și altor etape ale dezvoltării umane, unde forțele, mișcarea și sincronizarea sunt la fel de critice.
