Ограничение тела гидры может привести к тому, что у нее вырастут две головы

Гидры — это мелкие беспозвоночные хищные животные, живущие в воде. Они трубчатые, радиально-симметричные, длиной до 10 мм, с головой (в основном ртом), одной клейкой ногой и щупальцами.

В исследовании, опубликованном в журнале PRX Life, ученые изучили, как технические силы и обратные связи, воздействующие на гидру, могут повлиять на строение ее тела.

Ученые выбрали гидру, потому что те примечательны своей способностью к регенерации, поскольку большинство клеток их тела являются стволовыми клетками, которые могут непрерывно делиться и затем дифференцироваться в любой из типов клеток тела. Фактически, гидры настолько хороши в этом, что, кажется, не стареют и могут быть бессмертными, постоянно регенерируя любые клетки, которые им нужны, даже из первоначального небольшого кусочка ткани.

Все животные имеют общий план строения тела, поскольку все произошли от общего предка, включая двустороннюю симметрию, сегментированные тела и пищеварительную систему. За миллиарды лет эволюция изменила их формы, создав огромное разнообразие морфологий тела, наблюдаемых в животном мире. Но это биологическое формирование паттерна до сих пор не до конца изучено.

Морфогенез — это биологический процесс, который заставляет клетку, ткань или организм развивать свою форму. Он включает в себя дифференциацию клеток, тканей и органов, что приводит к созданию порядка в развивающемся организме.

Морфогенез является фундаментальным аспектом биологии развития, наряду с контролем роста тканей и клеточной дифференциацией. Но что, если организм ограничен каким-то образом из-за внешних сил?

В этом исследовании группа ученых из Израиля и Германии под руководством Йонит Марудас-Сакс из Техниона – Израильского технологического института в Хайфе заключила гидру в узкий цилиндрический канал. Канал ограничивал морфологию животного – форму и структуру организма, а также особенности его структуры.

В более ранних работах группы они сосредоточились на роли многоклеточных массивов актомиозиновых волокон в управлении и стабилизации оси тела гидры по мере ее регенерации. (Актомиозин — это комплекс, образованный двумя взаимодействующими белками, актином и миозином. Он играет важную роль в сокращении мышц и движении клеток, при этом двигательный белок миозин тянет актиновые нити на место.)

У гидры есть параллельные актомиозиновые волокна, которые сокращаются, и предыдущая работа той же группы показала, что ось тела гидры регенерируется, когда сегменты тканей выстраиваются в соответствии с унаследованной осью тела родителя.

Они решили исследовать, как ориентационное поле актомиозиновых волокон, содержащее локально неупорядоченные области, называемые топологическими дефектами, связано с планом морфогенеза тела гидры, который до сих пор был неизвестен.

Они разработали метод ограничения регенерирующей Гидры анизотропным образом — на оси, отличной от параллельных волокон Гидры. Это потребовало метода ограничения, который не повредил бы ткани организма или его способность к регенерации в течение нескольких дней. Им также потребовалось получение изображений в реальном времени с высоким разрешением в течение всего времени регенерации.

Укупорка осуществлялась в стеклянной капиллярной трубке, снабженной небольшими цилиндрическими каналами на внутренней поверхности шириной от 120 до 300 микрон, выполненными из плотного геля между сферическими образцами ткани и стеклянной стенкой.

При введении ткани Гидры в образовавшийся канал и одновременном проталкивании более мягкого геля в полости канала по краям для создания ширины, доступной для Гидры, были приняты меры предосторожности, чтобы не порвать ткань во время введения мягкого геля. 

Это уменьшило перемещение ткани вдоль оси цилиндра, оставив около 20–50 клеток по окружности полости (типичный размер клетки составляет 20 микрон), в то же время позволив сферической ткани развернуться и регенерировать в удлиненную эллипсоидную форму.

Через некоторое время регенерирующая ткань заполняет доступный ей канал, затем формирует рот и щупальца, поскольку столб тела становится уже канала, и животное отделяется от стенок канала.

Таким образом, между ограниченной осью тела и унаследованной осью тела образуется угол. Относительный угол между унаследованной осью тела и осью канала зависит от ориентации, в которой тканевый сфероид гидры входит в канал, причем его унаследованная ось параллельна или перпендикулярна оси канала.

Ограничение, накладываемое на геометрию ткани стенками канала, влияет на характер механического напряжения, испытываемого тканью гидры, как из-за градиента гидростатического давления поперек трубки, так и из-за частых сокращений мышц, которые при этом происходят.

Группа обнаружила, что существует сильное предпочтение осей тела и актомиозинового волокна выстраиваться в соответствии с «легкой осью» канала, с одной головой и одной ногой вдоль оси канала. Но развились различные планы тела, если исходная ткань была перпендикулярна оси канала.

«Образцы, изначально ориентированные с первичным расположением волокон перпендикулярно направлению канала, часто регенерируют в многоосные морфологии», - пояснили ученые.

Но если животные, которые были ограничены в длину, перпендикулярно оси канала, они состояли в основном из животных с, что удивительно, двумя головами, и часто более чем одной ногой. Эти множественные морфологические особенности не расположены вдоль одной оси, а скорее на стыках между осями с определенными топологическими дефектами в организации волокон.