Odkryto nowy kształt geometryczny, który umożliwia trójwymiarowe upakowanie komórek nabłonka podczas tworzenia zakrzywionych tkanek i narządów.
Każdy żywy organizm zaczyna się jako pojedynczy komórka, które następnie dzielą się na więcej komórek, które dalej dzielą się i dzielą aż do miliardów komórki powstają, aby stworzyć cały organizm. To jeden z najbardziej zagadkowych aspektów biologia jak z komórek powstają najpierw tkanki, a potem narządy. Zasadniczo prosta struktura zarodka, złożona z zaledwie kilku komórek, staje się żywym organizmem posiadającym złożone narządy. Na przykład miliony komórek nabłonkowych łączą się, tworząc człowiek skóra, nasz największy organ i najsilniejsza bariera. Jeśli nasz skóra była całkowicie płaską powierzchnią, znane kształty geometryczne można było układać w stosy, tworząc skórę. Ale ponieważ nasze ciało nie jest płaskie, te komórki nabłonkowe muszą się zakrzywiać i zginać. Komórki nabłonkowe nie tylko tworzą zewnętrzną warstwę naszej skóry, ale także ją wyścielają krew naczynia i narządy u wszystkich zwierząt. Kiedy rozwija się zarodek, Tkanki (zbudowane z komórek) wyginają się i tworzą złożone trójwymiarowe kształty, które następnie stają się narządami, takimi jak serce, wątroba itp. Bloki startowe komórki nabłonkowe „poruszają się” i „łączą” razem, organizując się i ciasno upakując, aby nadać narządowi ostatnie trzy- kształt wymiarowy, ponieważ większość narządów to struktury zakrzywione. Ze względu na wymóg krzywizny przyjmuje się, że komórki nabłonkowe wyściełające narządy muszą przyjąć kształt kolumnowy lub butelkowy, aby móc otoczyć narządy podczas wzrostu zarodka. Komórki nabłonkowe pełnią również inne funkcje, takie jak tworzenie bariery przed infekcjami i wchłanianie składników odżywczych.
Odkryto nowy kształt!
Naukowcy z Uniwersytetu w Sewilli w Hiszpanii i Uniwersytetu Lehigh w USA w swoich badaniach opublikowanych w Nature Communications doszli do wniosku, że komórki nabłonka przyjmują kształt podobny do "skręconych pryzmatów". Ten nowy, solidny geometryczny kształt został nazwany „skutoid„. Ten kształt umożliwia komórkom nabłonkowym osiągnięcie ich celu polegającego na zapewnieniu trójwymiarowej osłony narządom. Scutoid to struktura przypominająca pryzmat, z sześcioma bokami po jednej stronie i pięcioma po drugiej oraz trójkątną powierzchnią na jednej z długich krawędzi pryzmatu. Ta unikalna konstrukcja skutoidów umożliwia łączenie ich razem z naprzemiennymi pięciobocznymi i sześciobocznymi zakończeniami, co pozwala na tworzenie zakrzywionych powierzchni. Nazwa ta nie istnieje w geometrii i została wybrana przez badaczy po starannym rozważeniu i ze względu na podobieństwo skutoidy do kształtu tarczki chrząszcza będącego tylnym końcem tułowia owada.
Skutoidalny kształt jest obfity
Badacze zastosowali technikę modelowania obliczeniowego wykorzystującą diagramy Voronoi. Jest to najczęściej używane narzędzie do zrozumienia kształtów geometrycznych w różnych dziedzinach. Eksperymenty z modelowaniem wykazały, że wraz ze wzrostem krzywizny w tkance komórki tworzące te tkanki wykorzystywały bardziej złożone kształty niż tylko kolumny i kształty butelek, jak wcześniej sądzono. Komórki nabłonka przyjmują kształt, który nie został wcześniej opisany, a ten szczególny kształt pomaga komórkom uczynić je bardziej wydajnymi energetycznie, jednocześnie maksymalizując równomierne upakowanie. Badacze dokładnie przyjrzeli się trójwymiarowemu upakowaniu różnych tkanek u różnych zwierząt, aby przeanalizować ich poglądy. Dane eksperymentalne wykazały, że komórki nabłonkowe przyjmują bardzo podobne 3D motywy zgodnie z przewidywaniami modelowania obliczeniowego. Więc to nowy kształt scutoid pomaga w zginaniu i zakrzywianiu oraz pozwala na najbardziej optymalny sposób, aby komórki pozostały stabilnie upakowane. Po ustaleniu, że istnieje nowy kształt, badacze zbadali w innych organizmach obecność kształtu podobnego do skutoidy i odkryli, że kształt ten był obficie obecny. Te skutoidalne kształty zostały również znalezione w komórkach nabłonkowych danio pręgowanego i gruczołach ślinowych muszek owocowych, a zwłaszcza w tych regionach, w których tkanka wymaga najbardziej zakrzywienia, a nie płaskiego wyglądu.
To bardzo ciekawe i unikalne odkrycie, które może pogłębić nasze zrozumienie i pomóc nam kontrolować trójwymiarową organizację narządów (morfogenezę). Może rzucić więcej światła na to, co dzieje się, gdy narząd nie tworzy się prawidłowo, prowadząc do chorób. Mogłoby to być niezwykle pomocne w dziedzinie hodowli sztucznych narządów i inżynierii tkankowej, ponieważ budowanie rusztowań o prawidłowej strukturze upakowania prowadziłoby do lepszych wyników. Odkrycie tego nowego kształtu ma potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach nauki.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Gómez-Gálvez P i in. 2018. Skutoidy są geometrycznym rozwiązaniem trójwymiarowego upakowania nabłonka. Nature Communications. 9 ust. 1.
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05376-1
***
