צורות התלת מימד המורכבות של מוח, ריאות, עיניים, ידיים ומבנים גופניים חיוניים אחרים יוצאים מהאופן בו מתקפלים גיליונות תאים דו -ממדיים שטוחים במהלך התפתחות עוברית. כעת, חוקרים בקולומביה הנדסה פיתחו דרך חדשה להשתמש באור כדי להשפיע על חלבונים של בעל החיים עצמה על מנת לשלוט בקיפול בעוברים חיים.
ממצאים חדשים אלה, המפורטים ב -18 באוגוסט ב תקשורת טבעמי ייתן יום אחד יוביל לשלל יישומים בביורובוטיקה ומחקר רפואי.
היכולת לשלוט במדויק על צורת הקפלים בגיליונות רקמות היא צעד יסודי לעבר 'אוריגמי רקמות', אשר ניתן להשתמש בו כדי לחקור ביולוגיה של רקמות תלת -ממדיות מחוץ לעוברים המתפתחים, או לבניית ובקרת תנועה של מכונות או רובוטים קטנטנים העשויים מתאים ביולוגיים חיים. "
קארן קאשה, פרופסור חבר להנדסת מכונות בהנדסה בקולומביה והמחבר הבכיר של המחקר
מגיליונות שטוחים למבנים מורכבים
אחת הדרכים העיקריות לפיתוח עוברים בונים את איבריהם היא דרך התלהבות – כלומר הם יוצרים כיסים ברקמות, שבסופו של דבר הופכים לאתרי הקפלים. אנדרו קאנטרימן, דוקטורנט בהנדסה ביו -רפואית בקולומביה, אמר כי "כמו שדף נייר שטוח ניתן לקפל למנוף, ניתן לקפל רקמה עוברית שטוחה למבשר האיבר," אמר אנדרו קאנטרימן, דוקטורנט בהנדסה ביו -רפואית בקולומביה והמחבר הראשון של המחקר.
מחקרים קודמים פיתחו כלים רבים לתמרון החלבונים ומולקולות אחרות המכוונות את אופן התנהגותם של התאים. עם זאת, למדענים לא היו טכניקות דומות לשליטה שיטתית בכוחות המכניים המעצבים בסופו של דבר עוברים.
במחקר החדש, קאסה, קאנטרימן ועמיתיהם ניסו את זבוב הפירות, חיית מעבדה משותפת. "מכיוון שתהליכים ומכונות התפתחותיות נשמרים מאוד על בעלי חיים, ממצאים אלה בזבובי פירות מספקים תובנה על התפתחות אצל כל בעלי החיים, כולל בני אדם", אמר קאנטרימן.
כלים רגישים לאור שנבנו עם CRISPR
החוקרים התעסקו בחלבונים בהם התאים משתמשים בכדי לייצר כוחות מכניים, מה שהופך את המולקולות הללו למגיבות לאור. על ידי דפוסי נוצץ של אורכי גל ספציפיים של אור על עוברי זבוב פרי שהשתנו גנטית כדי לייצר חלבונים אלה, הם יכולים בתורם לשלוט על דפוסי כוחות במהלך התפתחותם.
המחקר החדש השתמש במערכת עריכת הגנים CRISPR-CAS9 כדי להוסיף מודול רגיש לאור לגנים שקיימים באופן טבעי בזבובי פרי. המולקולות שהתקבלו הן הכלים הראשונים המאפשרים למדענים להשתמש באור כדי לשלוט על הגנים של בעל החיים כדי לכוון כוחות מכניים בעוברים חיים. הם גם הכלים הראשונים המאפשרים למדענים להשתמש באור כדי לשלוט בכוחות שנוצרו בתאים באופן מכוון, במקום פשוט להפעיל ולכבות כוחות כאלה, אמר קאנטרימן.
החוקרים שונו באופן ספציפי חלבונים המסייעים לתאים להתכווץ, שיטה אחת שבה רקמות יכולות לייצר תלמים. הכלים שהתקבלו, המכונים OptorHogefs אנדוגניים, עזרו למדענים לגלות כי עומק התלם תלוי בכמות החלבונים הקשורים להתכווצות אלה המוזמנים לקרום התא. הם גם מצאו ששכבות נוקשות של חלבונים בתוך עוברים יכולות להשפיע באופן דרמטי על הדרכים בהן הרקמות התפוצצו.
השלכות על בריאות האדם
"בדומה לעוברי זבובים, עוברים אנושיים משתמשים בהרחבה בתהליכים מתלהבים במהלך הפיתוח", אמר קאנטרימן. "כישלון של רקמות להוות כראוי קשור להפרעות מולדות שכיחות והרסניות, כמו ספינה ביפידה. ההבנה המשופרת של תהליכים התפתחותיים תסייע בזיהוי וטיפול במצבים אלה."
טכניקה חדשה זו עשויה יום אחד לעזור למדענים לנתח טוב יותר את התפתחות הרקמות והמחלות של הרקמות והאיברים, תוך שימוש באור כדי לקפל גיליונות בסיסיים של תאים למבנים תלת -ממדיים מורכבים במעבדה במקום הסביבות המורכבות יותר בקרב בעלי חיים חיים, אמר Countryman.
בנוסף, "מכונות קטנות, ניתנות לשליטה, מבוססות תאים יש שימוש מבטיח בהקשרים רפואיים, שם הם יכולים לשמש כבדיקות ביולוגיות במהלך הליכים רפואיים", הוסיף. "הם יכולים לשמש גם ככלי רכבים קטנים, מימיים, הניתנים לטייס מרחוק כדי לחקור ולסקר סביבות חדשות."
בעתיד, החוקרים מקווים להשתמש באסטרטגיה החדשה שלהם כדי לבחון דרכים אחרות בהן רקמות מתלהבות, כמו גם התנהגויות רקמות שאינן מתנשאות, כמו כיפוף, מתיחה וזרם. "מצבים בסיסיים אלה של עיוות רקמות משמשים בשילובים ורצפים שונים לבניית מגוון רחב של רקמות, איברים וצורות גוף", אמר קאנטון.
