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Forscher enthüllen, wie unsere Organe wissen, wann sie mit dem Wachstum aufhören müssen

Der kleinste Fisch der Welt, Paedocypris, misst nur 7 Millimeter. Das ist nichts im Vergleich zu den 9 Metern eines Walhais. Der kleine Fisch hat viele der gleichen Gene und die gleiche Anatomie wie der Hai, aber die Rücken- und Schwanzflossen, Kiemen, Bauch und Herz sind tausendmal kleiner! Wie können die Organe und das Gewebe dieses Miniaturfisches im Gegensatz zu seinem riesigen Cousin so schnell aufhören zu wachsen? Ein interdisziplinäres Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE), Schweiz, und des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme (MPIPKS) in Deutschland, konnte diese grundlegende Frage durch das Studium der Physik und die Verwendung mathematischer Gleichungen beantworten offenbart durch ihre in der Zeitschrift veröffentlichte Arbeit Temperieren Sie die Natur.

Die Zellen des sich entwickelnden Gewebes vermehren und organisieren sich unter dem Einfluss von Signalmolekülen, Morphogenen. Aber woher wissen sie die richtige Größe des Organismus, zu dem sie gehören? Die Forschungsgruppen von Marcus González-Gétan, Professor am Department für Biochemie, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der UNIGE, und Frank Julicher, Direktor des MPIPKS in Dresden, konnten dieses Rätsel lösen, indem sie einem bestimmten Morphogen in unterschiedlich großen Gewebezellen folgten. In der Fruchtfliege die Fruchtfliege.

Bei Drosophila diffundiert ein dicapentaplgisches Morphogen (DPP), ein Molekül, das für die Bildung der fünfzehn (pentatonischen) Anhängsel (Flügel, Antennen, Mandibeln…) benötigt wird, aus einer lokalen Quelle innerhalb des sich entwickelnden Gewebes und bildet dann abnehmende Konzentrationsgradienten (oder allmähliche Variationen) während der Entfernung von der Quelle. In früheren Studien zeigte die Gruppe von Marcos Gonzalez-Gaitan in Zusammenarbeit mit dem deutschen Team, dass sich diese Konzentrationsgradienten von DPP je nach Größe des sich entwickelnden Gewebes über einen größeren oder kleineren Bereich erstrecken. Je kleiner das Gewebe ist, desto weniger diffundiert der DPP-Gradient von seiner Diffusionsquelle. Andererseits ist die Prävalenz des DPP-Morphogengradienten umso größer, je größer die Gewebegröße ist. Es blieb jedoch die Frage, wie sich dieser Konzentrationsgradient in Zukunft mit dem zunehmenden Gewebe-/Organvolumen skalieren würde.

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Ein interdisziplinärer Ansatz zur Lösung einer biologischen Frage

Der ursprüngliche Ansatz meines Teams, das sich aus Biologen, Biochemikern, Mathematikern und Physikern zusammensetzt, bestand darin, zu analysieren, was auf der Ebene jeder Zelle passiert, anstatt unsere Beobachtungen auf der Gewebeskala zu platzieren. „

Marcos Gonzalez Gaitan

„Der zentrale Punkt ist, lebende Materie so zu behandeln, als ob sie nur Materie wäre, also Biologie mit den Prinzipien der Physik zu studieren“, sagt Frank Gulisher. Die beiden Teams haben eine Reihe ausgeklügelter Werkzeuge entwickelt, um das Schicksal von DPP innerhalb und zwischen Gewebezellen mit hoher Präzision mithilfe quantitativer Mikroskopietechniken zu verfolgen. „Diese Werkzeuge haben es uns ermöglicht, viele Parameter dieses Morphogens in Bezug auf zelluläre Prozesse zu bestimmen. Wir haben beispielsweise die Effizienz gemessen, mit der Zellen binden, in Zellen eindringen, abgebaut oder von der Zelle recycelt werden, bevor sie in andere Zellen zurückdiffundieren. „Zusammenfassend haben wir alle wichtigen DPP-Transportschritte gemessen“, erklärt Maria Romanova Michelidi, Senior Researcher in der Abteilung Biochemie und Erstautorin dieser Studie.

Erklären Sie den Messmechanismus mit einer mathematischen Gleichung

All diese Daten über DPP sammelten die Wissenschaftler in Zellen, die zu Geweben unterschiedlicher Größe gehören, in normalen Fliegen und in Mutanten, die nicht gemessen werden konnten. Sie stellen fest, dass es diese unterschiedlichen einzelnen Übertragungsschritte sind, die den Umfang des Farbraums bestimmen. Somit diffundiert DPP in kleinen Geweben hauptsächlich durch interzelluläre Diffusion. Daher sinkt seine Konzentration aufgrund des Abbaus um seine Quelle herum sehr schnell, was zu einem engen Gradienten führt. Andererseits werden in größeren Geweben auch die in die Zellen gelangten DPP-Moleküle recycelt, wodurch sich der Gradient auf eine größere Fläche ausdehnen lässt. „Wir waren endlich in der Lage, eine unvoreingenommene und vereinheitlichte Theorie des Morphogentransfers vorzuschlagen, die sich den Hauptgleichungen des Systems zuwendet und den Skalierungsmechanismus aufdeckt!“ Maria Romanova ist aufgeregt.

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Die Kombination aus theoretischer Physik und experimentellen Ansätzen, die aus der Untersuchung des DPP-Moleküls in Drosophila hervorgegangen ist, kann auf andere Moleküle verallgemeinert werden, die an der Bildung verschiedener sich entwickelnder Gewebe beteiligt sind. „Unser einzigartiger, interdisziplinärer Ansatz ermöglicht es uns, eine universelle Antwort auf eine grundlegende biologische Frage zu geben, die sich Aristoteles seit fast 2.500 Jahren stellt: Woher weiß ein Ei, wann es aufhört, zu einem Huhn heranzuwachsen?“ Marcos Gonzalez Gaitan schließt.

Quelle:

Zeitschriftenhinweis:

Michaelidi, MR, et al. (2021)Ein Morphogen-Insert durch intrazelluläres Dpp-Recycling. Natur temperieren. doi.org/10.1038/s41586-021-04346-w.