Гены — не единственная движущая сила, заставляющая клетки составлять многоклеточные структуры, ткани и органы. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, учёный из USC по стволовым клеткам Леонардо Морсут и специалист по вычислительной биологии из Калифорнийского технологического института Мэтт Томсон характеризуют влияние ещё одного важного фактора развития: плотности клеток, или того, насколько свободно или плотно клетки упакованы в определённом пространстве.
Как в вычислительных моделях, так и в лабораторных экспериментах команда учёных использовала плотность клеток в качестве эффективного инструмента для управления тем, как клетки мыши формируют сложные структуры.
«Эта работа представляет собой прогресс на пути к нашей общей цели — созданию синтетических тканей», — говорит Морсут, доцент кафедры биологии стволовых клеток и регенеративной медицины, а также биомедицинской инженерии в Школе медицины Кек при Университете Южной Калифорнии. «Синтетические ткани могут найти бесконечное применение в медицине — от тестирования потенциальных лекарств или терапий до создания трансплантатов для пациентов».
В исследовании использовались два типа клеток мыши — клетки соединительной ткани и стволовые клетки, сконструированные таким образом, чтобы нести в себе синтетическую систему клеточной коммуникации или «генетическую цепь». Эта схема основана на разработанном Морсутом белке под названием «synNotch», который учёные генетически внедряют в клетку, чтобы он служил «сенсором». Расположенный на поверхности клетки, этот белковый сенсор распознаёт внешний сигнал, который заставляет клетку отреагировать — обычно путём включения определённого гена.
В данной серии экспериментов учёные использовали synNotch для включения цепи, которая включает зелёную флуоресценцию и способ распространения сигнала дальше, хотя её можно использовать для включения любого гена. Флуоресценция позволила легко наблюдать за клетками, когда они образовывали сложные структуры. Например, в поле клеток учёные могли создать узор из зелёных флуоресцентных колец, исходящих из центральной точки.
Проводя эти эксперименты, соавтор Марко Санторелли, постдок в лаборатории Морсута, заметил, что генетически идентичные клетки не всегда образуют одинаковые узоры. «Мы наблюдали разные результаты узоров, когда начинали с генетически идентичных клеток в разном количестве», — говорит Морсут. «Поначалу это вызывало недоумение. Я помню, как Марко пришёл и сказал мне, что эксперимент сработал, но только на половине пластины. А когда мы присмотрелись к нему внимательнее, то увидели плавное изменение плотности клеток, коррелирующее с различиями в узорах».
Соавтор Пранав С. Бхамидипати, кандидат в доктора философии программы USC-Caltech MD-Ph.D., сотрудник лабораторий Морсута и Томсона, заинтересовался созданием вычислительной модели, которая могла бы предсказать и прояснить это сложное и динамичное поведение клеток.
«Для меня это был один из первых случаев в жизни, когда вычислительное моделирование позволило предсказать поведение, похожее на то, что происходит в клетках на самом деле», — говорит Томсон, который является доцентом кафедры вычислительной биологии в Калифорнийском технологическом институте и научным сотрудником Медицинского исследовательского института „Наследие“.
«В данном случае это помогло нам задуматься о том, как плотность клеток, скорость пролиферации, сигналы и все эти различные вещи связаны между собой».
Морсут добавил: «Мы были рады, что у нас есть вычислительная модель, чтобы действительно изучить и понять, какие возможны различные схемы и как перейти от одной к другой». Руководствуясь вычислительной моделью, учёные смогли использовать плотность клеток для создания различных предсказуемых флуоресцентных паттернов, которые развивались в течение определённого периода времени.
Чтобы понять, как плотность клеток оказывает такое воздействие, соавтор исследования Жоскин Курт, постдок в лаборатории Морсута, провёл серию экспериментов, которые привели к удивительному открытию. Большая плотность клеток вызывает стресс, который приводит к более быстрому разрушению не только synNotch в частности, но и сенсоров клеточной поверхности в целом.
Это означает, что плотность клеток является инструментом для управления как синтетическими, так и естественными клетками в целях создания огромного количества структур, тканей и органов.
