Kopf und Gesichtsabnormale Eigenschaften reparieren sich

Ein Bericht in der Mai-Ausgabe der Zeitschrift Entwicklungsdynamik enthüllt, dass Biologen der Tufts-Universität zum ersten Mal einen "selbstkorrigierenden" Mechanismus entdeckt haben, durch den sich entwickelnde Organismen Kopf- und Gesichtsanomalien erkennen und reparieren.
Dies ist das erste Mal, dass dieser flexible Korrekturprozess durch mathematische Modellierung genau analysiert wurde.
Die Studie zeigt, dass sich entwickelnde Organismen nicht genetisch "festverdrahtet" sind, sondern dass der Prozess stattdessen flexibler und robuster ist. Unter Verwendung eines Kaulquappenmodells mit einer Reihe von vorherbestimmten Zellbewegungen, die zu normalen Gesichtsmerkmalen führen, zeigten sie, dass Zellgruppen ihre Form und Position in Beziehung zu anderen Organen messen können und die erforderlichen Bewegungen und Remodellierungsfunktionen der Reihe nach ausführen können um wichtige Anomalien in Mustern zu kompensieren.
Der leitende Forscher Michael Levin, Ph.D., Direktor des Zentrums für Regenerations- und Entwicklungsbiologie an der Fakultät für Kunst und Wissenschaft der Tufts Universität erklärte:

"Eine große Frage war schon immer, wie sich komplexe Formen wie das Gesicht oder der ganze Embryo zusammenfügen? Wir haben herausgefunden, dass sich Gesichtsstrukturen, wenn wir experimentell Defekte im Gesicht erzeugen, auf verschiedene Arten bewegen und meist in ihrer richtigen Form enden Dies deutet darauf hin, dass das, was das Genom letztendlich kodiert, eine Reihe von dynamischen, flexiblen Verhaltensweisen ist, mit denen die Zellen Anpassungen vornehmen können, um spezifische komplexe Strukturen aufzubauen.Würden wir Bioingenieursysteme erlernen, die zuverlässig selbstorganisierte und reparierte Abweichungen von die gewünschte Zielform, regenerative Medizin, Robotik und sogar die Weltraumforschung würden transformiert werden. "

Frühere Forschungen hatten selbst korrigierende Mechanismen in anderen embryonalen Prozessen entdeckt, jedoch niemals im Gesicht. Diese Mechanismen wurden nicht mathematisch analysiert, um die präzise Dynamik des Korrekturprozesses zu erhellen.
Laura Vandenberg, Ph.D., Postdoktorandin am Zentrum für Regenerations- und Entwicklungsbiologie sagte:

"Was in früheren Studien fehlte - und unseres Wissens war noch nie in einem Tiermodell getan worden - war, diese Veränderungen über die Zeit genau zu verfolgen und sie quantitativ zu vergleichen."

Eine Analyse wie diese ist wichtig, um einen Einblick zu erhalten, welche Informationen generiert und manipuliert werden, so dass eine komplexe Struktur sich neu anordnen und reparieren kann.
Das Team von Biologen machte eine Seite der Embryonen abnormal, indem sie in dem zweizelligen Entwicklungsstadium spezifische mRNA in eine Zelle injizierte, was kraniofaziale Defekte in Xenopus-Froschembryos induzierte.

Anschließend charakterisierten sie Veränderungen der kraniofazialen Strukturen hinsichtlich ihrer Form und Position, einschließlich Kiefer, Augen, Kiemenbogen, Ohrkapseln und Geruchsvertiefungen, indem sie eine "geometrische morphometrische Analyse" durchführten, die die Position von 32 Landmarken auf der Kaulquappe oben und unten misst Seiten.
Indem die Kaulquappen in präzisen Intervallen aufgenommen wurden, beobachteten die Forscher, dass die kraniofazialen Anomalien (Störungen), insbesondere in den Kiefern und Kiemenbögen, im Laufe der Alterung der Kaulquappen weniger offensichtlich wurden. Sie stellten auch fest, dass das Augen- und Nasengewebe der Kaulquappen im Laufe der Zeit normaler wurde, obwohl sie verschiedene Unterschiede beim Erreichen einer vollständig erwarteten Form und Position feststellten.
Bei jedem Tier ist es normal, dass sich die Gesichtszüge in Form und Position verändern. Wenn das Tier älter wird, verlängern sich ihre Gesichter und ihre Augen, Nase und Kiefer wachsen in Relation zueinander, obwohl die Bewegung im Allgemeinen ziemlich marginal ist.
Das Team beobachtete jedoch, dass bei Kaulquappen mit schwerer Fehlbildung eine bedeutende dramatische Verschiebung in den Gesichtsstrukturen auftrat, um diese Fehlbildungen zu reparieren. Sie gaben an, dass es so aussah, als ob das System Abweichungen vom Normalzustand erkennen und Korrekturmaßnahmen durchführen könnte, die normalerweise nicht stattfinden würden.

"Wir waren ziemlich erstaunt zu sehen, dass diese Kaulquappen schon lange bevor sie metamorphosiert wurden und Frösche wurden, normal aussehende Gesichter hatten. Stellen Sie sich die Implikationen eines Tieres mit einem schweren 'Geburtsfehler' vor, das mit der Zeit diesen Defekt korrigieren kann."

Die Biologen stellen fest, dass die Ergebnisse mit einem Informationsaustauschprozess übereinstimmten, bei dem eine Struktur ihren Abstand und Winkel von einem stabilen Bezugspunkt trianguliert. Sie sagen, obwohl weitere Studien erforderlich sind, schlagen sie vor, "Pings" auszutauschen, d. H. Signale, die Informationen zwischen einem "organisierenden Zentrum" wie dem Gehirn und dem neuronalen Netzwerk und individuellen kraniofazialen Strukturen enthalten.
Die Forscher heben hervor, dass Geburtsfehler wie Lippenspalte, Gaumenspalte und Mikrophthalmie über 1 von 600 Geburten betreffen. Neue Ansätze zur Korrektur dieser Geburtsfehler, die zur Kategorie der kongenitalen Fehlbildungen kraniofazialer Strukturen gehören, könnten möglicherweise durch weitere Untersuchungen auf molekularer Ebene beim Menschen korrigiert werden, was mehr Aufschluss über die "Gesichtsfixierung" geben würde.
Levin schloss:

"Ein solches Verständnis hätte große Auswirkungen nicht nur auf die Reparatur von Geburtsfehlern, sondern auch auf andere Bereiche der Systembiologie und Komplexitätsforschung. Es könnte uns helfen, hybride biotechnische Systeme für synthetische oder regenerative Biologie oder rein künstliche Robotersysteme zu bauen, die sich selbst reparieren können nach Beschädigung oder Neukonfiguration der eigenen Struktur, um den sich ändernden Anforderungen in einer komplexen Umgebung gerecht zu werden. "

Geschrieben von Petra Rattue