Zdálo by se, že náhodné uspořádání buněk v rostlinných pletivech nemusí být tak chaotické. Nový výzkum z Cornell University odhaluje skrytou logiku této pestré heterogenity a naznačuje fascinující souhru náhody a růstu, která formuje složité vzory listů a květů.
Tato práce, publikovaná v časopise PLOS Biology, zkoumá, jak obří buňky – výrazně větší než jejich sousedé – podporují mozaikové vzory na povrchu listů. Tito “obři” pocházejí z procesu zvaného endoduplikace, při kterém je DNA mnohokrát replikována bez buněčného dělení. Dříve vědci nevěděli, zda se tyto obří buňky objevily náhodně nebo se řídily předvídatelným vzorem.
Výzkumný tým vedený Frances K. Clarkovou a Adrianne Roeder pomocí zobrazování s vysokým rozlišením a sofistikovaných počítačových modelů zjistil, že zatímco počáteční tvorba obřích buněk se zdá být náhodná, k jejich následnému shlukování dochází, když tkáně rostou a expandují. Představte si to jako rozptýlení semen: zpočátku se zdá, že jsou rozptýlena náhodně. Ale jak rostliny rostou a prostor je omezený, přirozeně se začnou tvořit vzory.
Tento proces řazení není určen přímou komunikací mezi buňkami, ale vzniká kombinovaným působením růstu a náhody. Jak se kolem těchto původně náhodných obřích buněk dělí nové buňky, mění se geometrie tkáně a mění chaos ve strukturovanou mozaiku.
Genetičtí architekti velikosti buněk
Studie identifikovala čtyři klíčové geny – ACR4, ATML1, DEK1 a LGO – které působí jako architekti velikosti buněk v rostlinných tkáních. Zvyšující se aktivita LGO měla za následek více obřích buněk a zvýšení ATML1 nebo LGO zvýšilo jejich celkovou plochu. Pozoruhodné je, že tyto geny produkují různé výsledky v závislosti na konkrétní tkáni, kde působí. Obří buňky se objevily na obou površích listů, ale pouze na spodní straně periantů (okvětní útvary obklopující květ).
K dalšímu ověření tohoto modelu výzkumníci spolupracovali s vědci z Institutu Maxe Plancka pro šlechtění rostlin v Německu. Společně vytvořili počítačovou simulaci, ve které byl osud každé buňky náhodně určován kolísáním hladin ATML1, napodobující biologický systém bez přímé interakce buňka-buňka. Výsledky získané z tohoto modelu pozoruhodně těsně sledovaly vzory pozorované ve skutečných rostlinných tkáních.
Za rostlinami: Důsledky pro design a biologii
Výsledky přesahují svět rostlin a poskytují širší pochopení toho, jak může řád vzniknout ze zdánlivě náhodných začátků v různých biologických systémech. Tento princip má významné důsledky pro obory, jako je syntetická biologie, kde se výzkumníci snaží navrhovat složité struktury s minimální koordinací. Pomocí principů objevených v tomto výzkumu mohli vědci potenciálně zkonstruovat rostlinné tkáně nebo dokonce zcela nové biologické systémy s větší přesností a účinností.
„Náhodnost není chaos, ale základní stavební kámen,“ vysvětluje Adrienne Roeder. “Interaguje s dynamikou růstu a vytváří složité vzorce, které jsou životně důležité.” Elegantní jednoduchost tohoto principu podtrhuje, jak moc se ještě musíme učit o skrytých mechanismech, které řídí organizaci samotného života.
