Альтернативная теория дефект-опосредованного морфогенеза

Все больше экспериментальных данных указывает на то, что топологические дефекты могут служить организующими центрами в морфогенезе тканей.

Активные слои, например, ограниченные клеточные монослои, скорее всего, неустойчивы к образованию выступов в присутствии дисклинаций.

Неустойчивость возникает в результате взаимодействия между фокусировкой упругих сил, опосредованной дефектами, и перенормировкой поверхностного натяжения системы активным потоком.

Постпереходный режим также характеризуется сложными морфодинамическими процессами - колебательные деформации, зарождение капель и активная турбулентность.

Развитие многоклеточных организмов в решающей степени зависит от внутренних и внешних механических сигналов, которые передаются механочувствительными механизмами клеток и приводят к общесистемным пространственно-временным перестройкам. В конечном итоге, таким образом формируются ранние эмбриональные признаки.

Эти процессы включают в себя широкий спектр активных и пассивных сил, регуляция которых зависит не только от молекулярного репертуара тканеобразующих клеток, но и от их формы, подвижности и локальной организации.

В последнее время концептуальная схема активной материи, то есть материалов, строительные блоки которых могут автономно двигаться и выполнять механическую работу, внесла огромный вклад в классификацию арсенала физических механизмов, лежащих в основе генерации сил и коллективной миграции как у эукариот, так и у прокариот.

Однако вопрос о том, как эти физические механизмы могут быть использованы для достижения биологической функциональности, остается открытым на стыке биологии и механики.

Одна из наиболее интересных гипотез в этом отношении вращается вокруг возможности того, что многоклеточные системы могут использовать преимущества топологических механизмов для создания условий, с точки зрения воспроизводимости и прочности, для возникновения и поддержания жизни.

В частности, дефекты могут быть идентифицированы как потенциальные кандидаты на роль "топологических морфогенов" в различных биомиметических системах и модельных организмах.

Феликс Кебер из Wühr Lab уже продемонстрировал, что протоклетки, состоящие из одного слоя микротрубочек-кинезин-активного нематического жидкого кристалла, заключенного в липидную везикулу и питающегося аденозинтрифосфатом, снимают механическое напряжение, возникающее из-за наличия четырех топологически необходимых дисклинаций +1/2, путем роста стойких трубчатых выступов (1А).

Совсем недавно этот же механизм был использован в экспериментальных и теоретических исследованиях для объяснения роста и регенерации щупалец у гидры (1B).

Накопление растягивающих напряжений вблизи целочисленных и полуцелых дисклинаций также было предложено некоторыми исследователями в качестве стратегии для достижения апоптоза клеток и экструзии в эпителиальных слоях в качестве пути образования многоклеточных выступов в ограниченных миобластах (1С).

Задолго до того, как была признана важность дефектов для развития непланарных особенностей в тканях, волдыреподобные гемицисты — так называемые "купола" - уже регулярно наблюдались во многих культурах эпителиальных клеток, полученных из почечных клеточных линий.

Пример «купола», полученного из монослоя эпителиальных клеток Madin-Darby Canine Kidney, воспроизведен на 1D.

В центральной области этого купола, где кривизна больше, имеется множество топологических дефектов (т.е. пяти- и семисторонних клеток) с чистым положительным топологическим зарядом: ∑i ∈ dome(6 - ci) > 0, где ci - число сторон каждой клетки.

Иными словами, система демонстрирует избыток положительных дисклинаций (пятисторонних ячеек) там, где ее кривизна максимальна.

Это наблюдение позволяет предположить, что образованию клеточных куполов могут способствовать топологические дефекты в сочетании с другим специфическим для системы механизмом, таким как инъекция жидкости под слой клеток, что приводит к фокальному отслоению.

В то время как эти экспериментальные исследования доказывают существование корреляции между топологическими дефектами и определенными морфогенными событиями, четкая теоретическая картина механической природы такого поведения отсутствует.

Также можно предположить, что ограниченные активные слои, смоделированные как активные полярные жидкие кристаллы, неустойчивы к образованию выступов в присутствии дисклинации +1.

В растяжимых системах с положительным выравниванием потока неустойчивость возникает в результате взаимодействия между фокусировкой упругих сил, опосредованной дефектом, и перенормировкой поверхностного натяжения системы активным потоком, возникающей в ответ на постоянное введение активного напряжения в условиях конфайнмента.

В постпереходной фазе такая конкуренция приводит к дополнительным динамическим режимам, которые включают осциллирующие деформации, зарождение капель и турбулентное состояние с разрастающимися выступами.

Напротив, в сократительных системах то же самое явление стабилизирует плоскую конфигурацию, предотвращая образование выступов.

Точное описание всех примеров опосредованного дефектами морфогенеза, в принципе, требует большого количества биофизических деталей и индивидуального подхода.

Однако само их разнообразие предполагает существование общего базового механизма. Вопрос лишь в том, - какой этот механизм?