Kriket Embriyolarının Gizemli Dansı

Haziran ayında 100 meyve sineği bilim insanı, iki yılda bir buluşmaları için Yunanistan’ın Girit adasında bir araya geldi. Bunlar arasında Harvard Üniversitesi’nde Kanadalı bir genetikçi olan Cassandra Extavour da vardı. Laboratuvarı, evrimi ve gelişimi incelemek için meyve sinekleriyle çalışıyor – “evo devo”. Çoğu zaman, bu tür bilim adamları “model organizma” olarak Drosophila melanogaster türlerini seçerler – en az birkaç tanesinde böcek işbirlikçisi olarak hizmet eden kanatlı bir beygir. Nobel ödülleri fizyoloji ve tıpta.

Ancak Dr. Extavour, model organizmalar olarak alternatif türler yetiştirmesiyle de tanınır. Özellikle krikete, özellikle iki benekli tarla cırcır böceği Gryllus bimaculatus’a meraklıdır, her ne kadar meyve sineğinin peşinden gelenlerin yanında henüz hiçbir şeyden hoşlanmasa da. (Girit’teki toplantıya katılmak için yaklaşık 250 baş araştırmacı başvurmuştu.)

Otel odasındaki bir video röportajı sırasında bir böceği kovalarken “Bu çılgınca” dedi. “Eğer o cırcır böceği türleri üzerinde çalışan tüm laboratuvar başkanlarıyla bir toplantı yapmaya çalışırsak, beşimiz ya da on kişi olabiliriz.”

cırcır böcekleri sirkadiyen saatler, uzuvların yenilenmesi, öğrenme, hafıza ile ilgili çalışmalarda zaten yer almış; hastalık modelleri ve ilaç fabrikaları olarak hizmet ettiler. Gerçek bilgeler, cırcır böcekleri! Ayrıca giderek daha popüler hale geliyorlar Gıda, çikolata kaplı veya değil. Evrimsel bir bakış açısından, cırcır böcekleri, son ortak böcek atasını öğrenmek için daha fazla fırsat sunar; diğer böceklerle meyve sineklerinden daha fazla ortak özelliğe sahiptirler. (Özellikle, böcekler hayvan türlerinin yüzde 85’inden fazlasını oluşturur).

Dr. Extavour’un araştırması temelleri hedefliyor: Embriyolar nasıl çalışır? Ve bu, ilk hayvanın nasıl ortaya çıktığı hakkında ne ortaya çıkarabilir? Her hayvan embriyosu benzer bir yolculuk izler: Bir hücre çok olur, sonra yumurtanın yüzeyinde bir katman halinde kendilerini düzenleyerek tüm yetişkin vücut parçaları için erken bir plan sağlar. Ama embriyo hücreleri – aynı genoma sahip olan ama hepsi bu bilgiyle aynı şeyi yapmayan hücreler – nereye gideceklerini ve ne yapacaklarını nasıl biliyorlar?

“Benim için gizem bu,” dedi Dr. Extavour. “Her zaman gitmek istediğim yer orası.”

Chicago Üniversitesi’nde biyolog ve veri bilimcisi olan ve Dr. Extavour’un laboratuvarından mezun olan Seth Donoughe, embriyolojiyi, gelişmekte olan bir hayvanın “doğru zamanda doğru yerde, doğru parçaları” nasıl yaptığının incelenmesi olarak tanımladı. Dr. Extavour, Dr. Donoughe ve meslektaşları, kriket embriyosunun bazı “doğru kısımlarının” (hücre çekirdeklerinin) üç boyutta hareket ettiğini gösteren harika bir videosunu içeren bazı yeni araştırmalarda, eski moda güzel bir şey buldular. geometri başrol oynuyor.

İnsanlar, kurbağalar ve geniş çapta incelenen diğer birçok hayvan, hemen tekrar tekrar ayrı hücrelere bölünen tek bir hücre olarak başlar. Cırcır böceklerinde ve diğer böceklerin çoğunda, başlangıçta sadece hücre çekirdeği bölünür, paylaşılan sitoplazma boyunca dolaşan birçok çekirdek oluşturur ve ancak daha sonra kendi hücresel zarlarını oluşturur.

2019’da Duke Üniversitesi’nde nicel bir gelişim biyoloğu olan Stefano Di Talia, meyve sineğindeki çekirdeklerin hareketini inceledi ve yavaş hareket eden bir akımın girdapları üzerinde hareket eden yapraklar gibi sitoplazmada titreşen akışlar tarafından taşındıklarını gösterdi.

Ancak kriket embriyosunda başka bir mekanizma iş başındaydı. Araştırmacılar, çekirdeklerin mikroskobik dansını izlemek ve analiz etmek için saatler harcadılar: parlayan yumrular, şaşırtıcı bir düzende bölünüyor ve hareket ediyor, tamamen düzenli değil, tamamen rastgele değil, değişen yönlerde ve hızlarda, komşu çekirdekler uzaktakilerden daha senkronize. Performans, sadece fizik veya kimyanın ötesinde bir koreografiyi yalanlıyordu.

Dr. Extavour, “Çekirdeklerin üstlendiği geometriler, kendilerine yakın olan diğer çekirdeklerin yoğunluğunu algılama ve bunlara tepki verme yeteneklerinin sonucudur” dedi. Dr. Di Talia yeni çalışmaya dahil olmadı, ancak hareket ettiğini gördü. “Biyolojik açıdan büyük önemi olan güzel bir sistem üzerine güzel bir çalışma” dedi.

Çekirdeklerin yolculuğu

Kriket araştırmacıları ilk başta klasik bir yaklaşım benimsediler: Yakından bakın ve dikkat edin. “Biz sadece izledik,” dedi Dr. Extavour.

Bir lazer ışıklı tabaka mikroskobu kullanarak videolar çektiler: Anlık görüntüler, embriyonun ilk sekiz saatlik gelişimi sırasında her 90 saniyede bir çekirdeklerin dansını yakaladı; bu süre zarfında sitoplazmada 500 kadar çekirdek toplandı. (Yaklaşık iki hafta sonra cırcır böcekleri yumurtadan çıkar.)

Tipik olarak biyolojik materyal yarı saydamdır ve en gelişmiş mikroskopla bile görülmesi zordur. Ancak o zamanlar Dr. Extavour’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve şu anda Japonya, Okazaki’deki Ulusal Temel Biyoloji Enstitüsü’nde gelişim biyoloğu olan Taro Nakamura, özel bir cırcır böceği türü çekirdekleri olan parlayan floresan yeşil. Dr. Nakamura’nın anlattığı gibi, embriyonun gelişimini kaydettiğinde sonuçlar “şaşırtıcıydı”.

Dr. Donoughe, bunun keşif süreci için “başlangıç ​​noktası” olduğunu söyledi. Bazen bilimkurgu yazarı ve biyokimya profesörü Isaac Asimov’a atfedilen bir sözü başka sözcüklerle ifade etti: “Genellikle ‘Eureka!’ demezsiniz. Bir şey keşfettiğinizde, ‘Hah’ diyorsunuz. Bu tuhaf.'”

Başlangıçta biyologlar videoları bir konferans odası ekranına yansıtılan döngüde izlediler – IMAX’ın kriket eşdeğeri, embriyoların (uzun taneli) bir pirinç tanesinin yaklaşık üçte biri kadar olduğunu göz önünde bulundurarak. Kalıpları tespit etmeye çalıştılar, ancak veri kümeleri bunaltıcıydı. Daha niceliksel anlayışa ihtiyaçları vardı.

Dr. Donoughe, şu anda Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde uygulamalı matematikçi olan Christopher Rycroft ile temasa geçti ve ona dans eden çekirdekleri gösterdi. ‘Vay!’ dedi. Daha önce hiç böyle bir şey görmemişti, ancak veriye dayalı bir işbirliğinin potansiyelini fark etti; o ve o zamanlar Dr. Rycroft’un laboratuvarında doktora öğrencisi olan Jordan Hoffmann çalışmaya katıldı.

Sayısız gösterimde, matematik-biyo ekibi birçok soru düşündü: Orada kaç tane çekirdek vardı? Ne zaman bölünmeye başladılar? Hangi yönlere gidiyorlardı? Nerede kaldılar? Neden bazıları etrafta dolaşırken diğerleri sürünüyordu?

Dr. Rycroft genellikle yaşam ve fizik bilimlerinin kavşağında çalışır. (Geçen yıl, kağıt buruşturma fiziği üzerine bir makale yayınladı.) “Matematik ve fizik, geniş çapta geçerli olan genel kuralları türetmede çok başarılı oldu ve bu yaklaşım biyolojide de yardımcı olabilir” dedi; Dr. Extavour da aynısını söyledi.

Ekip, beyaz bir tahta üzerinde fikirleri döndürmek için çok zaman harcadı ve genellikle resimler çizdi. Sorun Dr. Rycroft’a bir Voronoi diyagramını hatırlattı. geometrik yapı bir alanı, her biri bir tohum noktasından yayılan çokgenler veya Voronoi hücreleri gibi örtüşmeyen alt bölgelere bölen. Galaksi kümeleri, kablosuz ağlar ve orman kanopilerinin büyüme modeli gibi çeşitli şeyler için geçerli olan çok yönlü bir kavramdır. (Ağaç gövdeleri tohum noktalarıdır ve taçlar Voronoi hücreleridir, birbirlerine sıkıca sarılırlar, ancak birbirlerine tecavüz etmezler, taç utangaçlığı olarak bilinen bir fenomen.)

Kriket bağlamında, araştırmacılar her bir çekirdeği çevreleyen Voronoi hücresini hesapladılar ve hücrenin şeklinin çekirdeğin bir sonraki hareket yönünü tahmin etmeye yardımcı olduğunu gözlemlediler. Temel olarak Dr. Donoughe, “Çekirdekler yakındaki açık alana taşınma eğilimindeydi” dedi.

Geometri, diye kaydetti, hücresel mekanik hakkında soyut bir düşünme yolu sunuyor. “Hücre biyolojisi tarihinin çoğu için, mekanik kuvvetleri doğrudan ölçemedik veya gözlemleyemedik” dedi, “motorların, ezilmelerin ve itmelerin” oyunda olduğu açık olmasına rağmen. Ancak araştırmacılar, bu hücresel dinamikler tarafından üretilen daha yüksek dereceli geometrik desenleri gözlemleyebilirler. Dr. Donoughe, “Yani, hücrelerin aralıklarını, hücrelerin boyutlarını, hücrelerin şekillerini düşünürsek, bunların çok ince ölçeklerdeki mekanik kısıtlamalardan geldiğini biliyoruz” dedi.

Bu tür geometrik bilgileri kriket videolarından çıkarmak için, Dr. Donoughe ve Dr. Hoffmann çekirdekleri adım adım takip ederek konumu, hızı ve yönü ölçtüler.

Şu anda Londra’daki DeepMind’da uygulamalı matematikçi olan Dr. Hoffmann, “Bu önemsiz bir süreç değil ve sonunda birçok bilgisayar görüşü ve makine öğrenimi biçimini içeriyor” dedi.

Ayrıca yazılımın sonuçlarını manuel olarak doğruladılar, 100.000 konumu tıklatarak, çekirdeklerin soylarını uzay ve zaman içinde birbirine bağladılar. Dr. Hoffmann bunu sıkıcı buldu; Dr. Donoughe bunu bir video oyunu oynamak olarak düşündü, “tek bir embriyonun içindeki küçücük evrende yüksek hızda yakınlaşmak, her bir çekirdeğin yolculuğunun ipliklerini birbirine dikmek.”

Daha sonra, çekirdeğin hareketlerini ve konumlandırmasını açıklayabilecek hipotezleri test eden ve karşılaştıran bir hesaplama modeli geliştirdiler. Sonuç olarak, Dr. Di Talia’nın meyve sineğinde gördüğü sitoplazmik akışları elediler. Rastgele hareketi ve çekirdeklerin fiziksel olarak birbirini ittiği fikrini çürüttüler.

Bunun yerine, meyve sineği ve yuvarlak solucan embriyolarında bilinen başka bir mekanizma üzerine inşa ederek makul bir açıklamaya ulaştılar: sitoplazmada, bir orman gölgesinden farklı olarak, her bir çekirdekten mikrotübül kümelerini uzatan minyatür moleküler motorlar.

Ekip, benzer türde bir moleküler kuvvetin kriket çekirdeklerini boş alana çektiğini öne sürdü. Dr. Extavour bir e-postada “Moleküller mikrotübüller olabilir, ancak bunu kesin olarak bilmiyoruz” dedi. “Öğrenmek için gelecekte daha fazla deney yapmamız gerekecek.”

Çeşitliliğin geometrisi

Bu kriket serüveni, Dr. Donoughe’un çeşitli hipotezleri test etmek için yaptığı özel yapım “embriyo daraltma cihazından” bahsetmeden tamamlanmış sayılmaz. Bir kopyaladı eski okul ancak Dr. Extavour ve diğerleri ile teknolojinin evrimi üzerine yapılan önceki çalışmalar tarafından motive edildi. yumurta boyutları ve şekilleri.

Bu mekanizma, Dr. Donoughe’un cırcır böceği yumurtasının etrafına bir insan saçı ilmeklemek gibi hassas bir görevi yerine getirmesine izin verdi – böylece biri orijinal çekirdeği, diğeri kısmen sıkıştırılmış eki içeren iki bölge oluşturdu.

Ardından araştırmacılar nükleer koreografiyi tekrar izlediler. Orijinal bölgede, çekirdekler kalabalık bir yoğunluğa ulaştıklarında yavaşladılar. Ancak birkaç çekirdek, tünelde daralmadan gizlice girdiğinde, tekrar hızlandılar ve açık meradaki atlar gibi serbest kaldılar.

Dr. Donoughe, bu, çekirdeğin hareketinin geometri tarafından yönetildiğinin en güçlü kanıtıydı ve “küresel kimyasal sinyaller, akışlar ya da hemen hemen tüm bir embriyonun davranışını makul bir şekilde koordine edebilecek diğer tüm hipotezler tarafından kontrol edilmedi” dedi.

Çalışmanın sonunda, ekip 10 sabit diskte 40 terabayttan fazla veri biriktirdi ve kriketin araç setine eklenen hesaplamalı, geometrik bir model geliştirdi.

Dr. Extavour, “Kriket embriyolarını laboratuvarda çalışmak için daha çok yönlü hale getirmek istiyoruz” dedi.

Dr. Extavour, modelin herhangi bir yumurta boyutunu ve şeklini simüle ederek “diğer böcek embriyoları için test alanı” olarak kullanışlı hale getirebileceğini söyledi. Bunun, çeşitli türleri karşılaştırmayı ve evrimsel tarihi daha derinden araştırmayı mümkün kılacağını kaydetti.

Ancak tüm araştırmacıların hemfikir olduğu çalışmanın en büyük ödülü işbirlikçi ruhtu.

Dr. Extavour, “Uzmanlık bilgisi için bir yer ve zaman var” dedi. “Bilimsel keşiflerde olduğu gibi, kendimizi herhangi bir sonuca bizim kadar yatırım yapmayan insanlara maruz bırakmamız gerekiyor.”

Dr. Extavour, matematikçiler tarafından sorulan soruların “her türlü önyargıdan arınmış” olduğunu söyledi. “Bunlar en heyecan verici sorular.”