Kako su geni iskoristili fiziku za uzgoj živih bića

Izvorna verzija od ovu priču pojavio u Časopis Quanta.

Popijte čašu vina i primijetit ćete kako tekućina neprestano curi niz mokru stranu čaše. Godine 1855. James Thomson, brat Lorda Kelvina, objasnio u Filozofski časopis da te vinske “suze” ili “noge” proizlaze iz razlike u površinskoj napetosti između alkohola i vode. “Ova činjenica pruža objašnjenje nekoliko vrlo zanimljivih pokreta”, napisao je Thomson. Nije ni shvaćao da isti učinak, kasnije nazvan Marangonijev učinak, također može utjecati na razvoj embrija.

U ožujku grupa biofizičara u Francuskoj prijavio da je Marangonijev učinak odgovoran za ključni trenutak kada se homogena mrlja stanica izdužuje i razvija os glave i repa — prve značajke definiranja organizma koji će postati.

Otkriće je dio trenda koji prkosi normi u biologiji. Tipično, biolozi pokušavaju okarakterizirati rast, razvoj i druge biološke procese kao rezultat kemijskih znakova potaknutih genetskim uputama. Ali ta se slika često činila nepotpunom. Istraživači sada sve više cijene ulogu mehaničkih sila u biologiji: sile koje guraju i povlače tkiva kao odgovor na njihova materijalna svojstva, usmjeravajući rast i razvoj na način na koji geni ne mogu.

Moderne tehnike snimanja i mjerenja otvorile su oči znanstvenicima za te sile preplavivši polje podacima koji pozivaju na mehanička tumačenja. “Ono što se promijenilo tijekom proteklih desetljeća zapravo je mogućnost da se uživo gleda što se događa i da se vidi mehanika u smislu kretanja stanica, preuređivanja stanica, rasta tkiva”, rekao je Pierre-François Lenne sa Sveučilišta Aix Marseille, jedan od istraživača koji stoji iza nedavne studije.

Pomak prema mehaničkim objašnjenjima oživio je zanimanje za predgenetske modele biologije. Na primjer, 1917. škotski biolog, matematičar i klasičar D’Arcy Thompson objavio je O rastu i oblikukoji je istaknuo sličnosti između oblika pronađenih među živim organizmima i onih koji se pojavljuju u neživoj tvari. Thompson je napisao knjigu kao protuotrov za ono što je smatrao pretjeranom tendencijom da se sve objasni terminima Darwinove prirodne selekcije. Njegova teza – da nas i fizika oblikuje – vraća se u modu.

“Hipoteza je da nam fizika i mehanika mogu pomoći da razumijemo biologiju na razini tkiva”, rekao je Aleksandra Kablafizičar i inženjer na Sveučilištu u Cambridgeu.

Sada je zadatak razumjeti međuigru uzroka, gdje geni i fizika nekako djeluju ruku pod ruku da bi oblikovali organizme.

Rastite uz tok

Mehanički modeli rasta embrija i tkiva nisu novi, ali biolozima dugo nije bilo načina da testiraju te ideje. Teško je samo vidjeti embrije; mali su i difuzni, odbijaju svjetlost u svim smjerovima poput mat stakla. Ali nove tehnike mikroskopije i analize slike otvorile su jasniji prozor u razvoju.

Lenne i njegovi suradnici primijenili su neke od novih tehnika za promatranje kretanja stanica unutar mišjih gastruloida: snopova matičnih stanica koje, dok rastu, oponašaju rane faze rasta embrija.