שאלת מפתח שנותרה בביולוגיה וביופיזיקה היא כיצד צורות רקמה תלת מימדיות צצות במהלך התפתחות בעלי חיים. צוותי מחקר ממכון מקס פלנק לביולוגיה וגנטיקה מולקולרית של תאים (MPI-CBG) בדרזדן, גרמניה, מאשכול המצוינות של פיזיקת החיים (PoL) ב-TU דרזדן, והמרכז לביולוגיה של מערכות דרזדן (CSBD) מצאו כעת מנגנון שבאמצעותו ניתן "לתכנת" רקמות למעבר ממצב שטוח לצורה תלת מימדית. כדי להשיג זאת, החוקרים בחנו את התפתחותו של זבוב הפירות Drosophila וכיס הכנפיים שלו, שעובר מצורת כיפה רדודה לקפל מעוקל ובהמשך הופך לכנף של זבוב בוגר. החוקרים פיתחו שיטה למדידת שינויי צורה תלת מימדיים ולנתח כיצד תאים מתנהגים במהלך תהליך זה. באמצעות מודל פיזי המבוסס על תכנות צורות, הם גילו שלתנועות וסידורים מחדש של תאים תפקיד מפתח בעיצוב הרקמה. מחקר זה, שפורסם ב התקדמות המדעמראה ששיטת תכנות הצורה יכולה להיות דרך נפוצה להראות כיצד נוצרות רקמות בבעלי חיים.
רקמות אפיתל הן שכבות של תאים מחוברים הדוק ומרכיבות את המבנה הבסיסי של איברים רבים. כדי ליצור איברים פונקציונליים, רקמות משנות את צורתן בתלת מימד. בעוד כמה מנגנונים לצורות תלת מימדיות נחקרו, הם אינם מספיקים כדי להסביר את המגוון של צורות רקמות בעלי חיים. לדוגמה, במהלך תהליך התפתחות של זבוב פירות הנקרא eversion disc wing, הכנף עוברת משכבה אחת של תאים לשכבה כפולה. לא ידוע כיצד נרתיק דיסק הכנף עובר שינוי צורה זה מכיפה סימטרית רדיאלית לצורת קפל מעוקל.
קבוצות המחקר של קארל מודס, מנהיג קבוצות ב-MPI-CBG וב-CSBD, ונטלי דיי, מנהיגת קבוצה ב-PoL ומזוהה בעבר עם MPI-CBG, רצו לברר כיצד מתרחש שינוי צורה זה. "כדי להסביר את התהליך הזה, שאבנו השראה מגליונות חומר דוממים "ניתנים לתכנות צורה", כמו הידרוג'לים דקים, שיכולים להפוך לצורות תלת מימדיות באמצעות מתחים פנימיים בעת גירוי", מסבירה נטלי דיי וממשיכה: "חומרים אלה יכולים לשנות את המבנה הפנימי שלהם על פני הסדין בצורה מבוקרת כדי ליצור צורות תלת מימדיות ספציפיות. מושג זה כבר עזר לנו להבין כיצד רקמות בעלי חיים הן דינמיות יותר, עם תאים שמשנים צורה, גודל ומיקום. "
כדי לראות אם תכנות צורות יכול להיות מנגנון להבנת התפתחות בעלי חיים, החוקרים מדדו שינויים בצורת הרקמה והתנהגויות התא במהלך היפוך דיסק של כנפי תסיסנית, כאשר צורת הכיפה הופכת לצורת קפל מעוקל.
באמצעות מודל פיזי, הראינו כי התנהגויות תאים קולקטיביות מתוכנתות מספיקות כדי ליצור את שינויי הצורה הנראים בכיס דיסק הכנף. המשמעות היא שאין צורך בכוחות חיצוניים מרקמות שמסביב, וסידורים מחדש של תאים הם המניע העיקרי לשינוי צורת הכיס".
יאנה פיהרמן, פוסט-דוקטורט בקבוצת המחקר של נטלי דיי
כדי לאשר שתאים מסודרים מחדש הם הסיבה העיקרית להסטת כיס, החוקרים בדקו זאת על ידי הפחתת תנועת התאים, אשר בתורה גרמה לבעיות בתהליך עיצוב הרקמה.
Abhijeet Krishna, דוקטורנט בקבוצת Carl Modes בזמן המחקר, מסביר: "המודלים החדשים לתכנות צורות שפיתחנו קשורים לסוגים שונים של התנהגויות תאים. מודלים אלה כוללים השפעות אחידות ותלויות כיוון כאחד. בעוד שהיו מודלים קודמים לתכנות צורות, הם הסתכלו רק על סוג אחד של אפקטים בכל פעם.
נטלי דיי וקרל מודס מסכמים: "גילינו שמתח פנימי הנגרם על ידי התנהגויות תאים אקטיביות הוא זה שמעצב את כיס הדיסק של כנף תסיסנית במהלך היפוך. באמצעות השיטה החדשה שלנו ומסגרת תיאורטית שנגזרת מחומרים הניתנים לתכנות צורה, הצלחנו למדוד דפוסי תאים על כל משטח רקמה כלים אלה עוזרים לנו להבין כיצד רקמת בעלי חיים הופכת את צורתם וגודלם בשלושה מימדים, בסך הכל, העבודה שלנו מעידה על כך שאותות מכאניים מוקדמים עוזרים לארגן את אופן ההתנהגות של התאים, מה שמוביל לשינויים בצורת הרקמה שלנו ממחיש עקרונות שניתן להשתמש בהם באופן נרחב יותר כדי להבין טוב יותר תהליכי עיצוב רקמות אחרים."
