Ein mathematisches Modell verbindet die Evolution von Hühnern, Fischen und Fröschen.

6. Dezember 2023

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Von Michelle Franklin, University of California - San Diego

Eine der langlebigsten grundlegenden Fragen des Lebens lautet: Wie geschieht dies? Zum Beispiel, wie organisieren sich Zellen im menschlichen Körper zu Haut, Muskeln oder Knochen? Wie bilden sie ein Gehirn, einen Finger, eine Wirbelsäule?

Obwohl die Antworten auf solche Fragen unbekannt bleiben, basiert eine wissenschaftliche Untersuchungslinie auf dem Verständnis der Gastrulation - der Entwicklungsstufe, bei der sich Embryozellen von einer einzelnen Schicht zu einer mehrdimensionalen Struktur mit einer Hauptkörperachse entwickeln. Bei Menschen tritt die Gastrulation etwa 14 Tage nach der Empfängnis auf.

Es ist nicht möglich, menschliche Embryos in diesem Stadium zu untersuchen. Daher konnten Forscher der University of California San Diego, der University of Dundee (UK) und der Harvard University Gastrulation in Hühnerembryos untersuchen, die viele Ähnlichkeiten mit menschlichen Embryos in diesem Stadium aufweisen.

Diese Forschung wurde durch eine Kombination aus theoretischer und experimenteller Wissenschaft durchgeführt, die UC San Diego Assistant Professor of Physics Mattia Serra als idealen Kreislauf bezeichnet. Mattia ist ein Theoretiker, der daran interessiert ist, emergente Muster in komplexen biophysikalischen Systemen zu finden.

Hier entwickelte er und sein Team ein mathematisches Modell auf der Grundlage der Eingabe von Biologen der University of Dundee. Das Modell konnte die Gastrulationsströmungen - die Bewegung von Zehntausenden von Zellen im gesamten Hühnerembryo - beobachtet unter einem Mikroskop erfolgreich vorhersagen. Dies ist das erste Mal, dass ein selbstorganisierendes mathematisches Modell diese Strömungen in Hühnerembryos reproduzieren konnte.

Die Biologen wollten dann sehen, ob das Modell nicht nur das experimentell Bekannte replizieren konnte, sondern auch vorhersagen konnte, was unter verschiedenen Bedingungen passieren würde. Serras Team "störte" das Modell - das heißt, es änderte die Anfangsbedingungen oder die aktuellen Parameter.

Die Ergebnisse waren überraschend: Das Modell erzeugte Zellströmungen, die in Hühnern natürlicherweise nicht beobachtet wurden, jedoch bei zwei anderen Wirbeltierarten - dem Frosch und dem Fisch - beobachtet wurden.

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse keine mathematische Fantasie des Modells waren, ahmten biologische Mitarbeiter im Labor die genauen Störungen des Modells am Hühnerembryo nach. Überraschenderweise zeigten auch diese manipulierten Hühnerembryos Gastrulationsströmungen, die bei Fischen und Fröschen natürlich beobachtet werden.

Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Science Advances, legen nahe, dass die gleichen physikalischen Prinzipien hinter der selbstorganisierenden Mehrzellularität über Wirbeltierarten hinweg evolviert sein könnten.

"Fische, Frösche und Hühner leben alle in unterschiedlichen Umgebungen, daher können sich im Laufe der Zeit der evolutionäre Druck und die Parameter und Anfangsbedingungen der Embryonalentwicklung verändert haben", erklärte Serra. "Aber einige der selbstorganisierenden Kernprinzipien, zumindest in diesem frühen Stadium der Gastrulation, könnten bei allen drei Arten gleich sein."

Serra und seine Mitarbeiter untersuchen nun andere Mechanismen, die zu selbstorganisierenden Mustern auf Embryonenebene führen. Sie hoffen, dass diese Forschung dazu beitragen kann, das Design von Biomaterialien und die regenerative Medizin weiterzuentwickeln, um den Menschen ein längeres und gesünderes Leben zu ermöglichen.

"Der menschliche Körper ist das komplexeste dynamische System, das existiert", sagte er. "Es gibt so viele interessante biologische, physikalische und mathematische Fragen über unseren Körper - es ist schön, darüber nachzudenken. Es gibt kein Ende der Entdeckungen, die wir machen können."

Journal-Information: Science Advances

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