Een van de fundamentele en eeuwige vragen van het leven betreft het mechanisme waardoor het leven wordt geboren. Neem de menselijke ontwikkeling: hoe komen individuele cellen samen om complexe structuren te vormen, zoals huid, spieren, botten of zelfs hersenen, vingers of ruggengraat? Hoewel de antwoorden op deze vragen onbekend blijven, ligt één richting van het wetenschappelijk onderzoek in het begrijpen van de embryonale ontwikkeling: het stadium waarin embryonale cellen zich ontwikkelen van een enkele laag naar een multidimensionale structuur met een hoofdlichaamsas. Implantatie van een menselijk embryo vindt ongeveer 14 dagen na de bevruchting plaats.
Menselijke embryo's kunnen in dit stadium niet worden bestudeerd, dus onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, de Universiteit van Dundee in het Verenigd Koninkrijk en de Universiteit van Harvard hebben de maagvorming bij kippenembryo's kunnen bestuderen, die in dit stadium veel overeenkomsten vertonen met menselijke embryo's.
Het onderzoek werd uitgevoerd via wat Mattia Serra, assistent-professor natuurkunde aan de UC San Diego, de ideale cyclus noemt: een interdisciplinair heen en weer schakelen tussen theoretische en experimentele wetenschap. Mattia is een theoreticus die geïnteresseerd is in het ontdekken van opkomende patronen in complexe biofysische systemen.
Ontwikkel voorspellende wiskundige modellen
Hier bouwden hij en zijn team een wiskundig model op basis van input van biologen van de Universiteit van Dundee. Het model kon de ontwikkelingsstroom van kippenembryo's (de beweging van duizenden cellen door het kippenembryo) nauwkeurig voorspellen, waargenomen onder een microscoop. Dit is de eerste keer dat een wiskundig model van zelforganisatie deze stromen in het kippenembryo kan reproduceren.
De biologen wilden vervolgens zien of het model niet alleen kon repliceren wat ze uit experimenten wisten, maar ook kon voorspellen wat er onder verschillende omstandigheden zou kunnen gebeuren. Serra's team 'verstoorde' het model - met andere woorden, veranderde de beginvoorwaarden of huidige parameters.
De resultaten waren verrassend: het model produceerde celstromen die van nature niet bij kuikens werden waargenomen, maar wel bij twee andere gewervelde dieren: kikkers en vissen.
Om ervoor te zorgen dat deze resultaten geen wiskundige illusies van het model waren, bootsten de biologiemedewerkers de precieze verstoringen in het model na in kippenembryo's in het laboratorium. Verrassend genoeg vertoonden deze behandelde kippenembryo's ook het maagvormingsproces dat van nature bij vissen en kikkers wordt waargenomen.
Impact en toekomstonderzoek
De bevindingen, gepubliceerd in Science Advances, suggereren dat dezelfde fysieke principes achter meercellige zelforganisatie mogelijk zijn geëvolueerd bij gewervelde soorten.
"Vissen, kikkers en nestvogels leven allemaal in verschillende omgevingen, dus evolutionaire druk kan in de loop van de tijd de parameters en initiële omstandigheden van de embryonale ontwikkeling hebben veranderd," zei Serra. "Echter, tenminste in de vroege stadia van de embryonale ontwikkeling, kunnen sommige kernprincipes van zelforganisatie bij alle drie hetzelfde zijn."
Het onderzoeksteam onderzoekt momenteel andere mechanismen die zelforganiserende patronen op embryonaal niveau genereren. Ze hopen dat dit onderzoek de ontwikkeling van biomateriaalontwerp en regeneratieve geneeskunde zal bevorderen, waardoor mensen langer en gezonder kunnen leven.
‘Het menselijk lichaam is het meest complexe dynamische systeem dat er bestaat’, zei hij. "Er zijn zoveel interessante biologische, fysische en wiskundige vragen over ons lichaam - het is verbazingwekkend om over na te denken. Er komt geen einde aan wat we kunnen ontdekken."
Samengestelde bron: ScitechDaily