Подпишитесь на наши новости. Введите ваш email

Физики, генетики, программисты и биологи работают вместе, чтобы полностью понять тонкости роста и формы организма

Успех междисциплинарных подходов к решению научных задач иллюстрируют конкретные примеры. Об одном из них можно прочесть в статье Джошуа Финкельштейна, Келли Маклафлин и Майкла Левина, опубликованной в журнале The Scientist в конце 2019 года.

В ней говорится о возможном успехе врачей и биомедицинских исследователей в устранении врожденных дефектов, стимулировании повторного роста сложных органов, нормализации раковых клеток и создании новых живых машин в биоинженерии при использовании междисциплинарного подхода, необходимого для взлома морфогенеза.

За последние 20 лет исследователи добились огромного прогресса в идентификации конкретных генов, необходимых для развития, в основном путем регистрации мутаций или делеций генов, которые приводят к возникновению заболеваний и анатомических дефектов. Но эта информация - лишь верхушка айсберга. В то время как геном определяет важнейший «список частей» для отдельных клеток, исследователям еще предстоит многое узнать о сигнальных событиях, которые координируют совместные клеточные процессы для создания и восстановления сложных анатомий.

В постгеномную эпоху становится ясно, что следующий шаг включает понимание физиологического программного обеспечения: механизмов, которые позволяют клеткам и тканям принимать решения и реализовывать динамику роста клеток, реконструирующих структуру на уровне органов. Часто один и тот же анатомический результат может быть результатом ряда различных исходных условий. Например, нормальная голова лягушек может возникнуть даже тогда, когда у головастиков черепно-лицевые ткани находятся в скремблированном положении. Чтобы понять эту анатомическую конвергенцию к правильной морфологии мишени, исследователи должны включить глубокое понимание физики и информатики в клеточную биологию и биологию развития и помнить, что эволюция использует физические силы. такие как биомеханика и биоэлектрика.

Американский Центр открытий Алленаat при Университете Тафтса (Tufts University) был основан в 2016 году при финансовой поддержке соучредителя Microsoft Пола Аллена, предназначенной для исследований в области, которую он назвал «Темная материя биологии» - область междисциплинарных биологических наук, которая еще не изучена. В центре работают над выявлением новых научных гипотез (например, идеи о том, что анатомические цели представлены биофизическими «воспоминаниями» в тканях) и экспериментальных инструментов, которые откроют совершенно новые области науки о жизни. Динамический контроль биологической формы - это проблема, требующая междисциплинарного сотрудничества и синтеза данных из множества модельных систем. 

Последние достижения в этой области открыли новые способы использования эндогенных биоэлектрических систем и систем управления нейромедиаторами в нейронах и других клетках. Например, обнаружено, что иннервация трансплантированной ткани или органов может быть значительно усилена - включая улучшение зрения глаз, пересаженных слепому головастику Xenopus - с помощью золмитриптана, клинически одобренного агониста рецепторов серотонина, для контроля того, как трансплантированные клетки мигрируют и расширяются в новых условиях. Подобные открытия могут в конечном итоге привести к улучшению результатов трансплантации органов у людей.

Работа над биофизикой того, как форма, размер и расположение органов определяются во время эмбриогенеза, также привели к новому пониманию причины некоторых врожденных дефектов и к разработке стратегий их восстановления in vivo. Ученые Центра Аллена спасли тяжелое повреждение мозга головастиков Xenopus с помощью относительно простых вмешательств, которые восстанавливают эндогенный биоэлектрический паттерн, управляющий эмбриональными клетками, строящими мозг. Несмотря на то, что остается еще много шагов для воплощения этих результатов в методы лечения врожденных дефектов человека, эта доказательная работа предлагает дорожную карту для создания большего количества биоэлектрических нацеленных лекарств или электрокцевтиков для модификации сложных структур in vivo.

Этот подход также может найти применение в области регенеративной биологии. Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в создании протезов конечностей, идеальным решением было бы восстановить потерянную руку, ступню или ногу пациента из его собственных эндогенных клеток. 

Акцент Центра открытий Аллена на биофизике анатомического контроля дал много ресурсов, позволяющих другим лабораториям также работать над этими вопросами. Концептуальные инструменты, молекулярные реагенты, модели животных и программное обеспечение, разработанное для решения задач динамического управления на разных уровнях биологии, бесплатно доступно исследователям в этой области. Основная миссия Центра - раскрыть и использовать вычислительные методы между геномом и полученной анатомией, чтобы повлиять не только на регенеративную биомедицину, но и на синтетическую морфологию и программирование искусственных живых машин. Источник: https://www.the-scientist.com/