Wydawać by się mogło, że losowe rozmieszczenie komórek w tkankach roślinnych nie może być aż tak chaotyczne. Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie Cornell ujawniają ukrytą logikę stojącą za tą burzliwą heterogenicznością, sugerując fascynującą grę przypadku i wzrostu, która kształtuje złożone wzory liści i kwiatów.
Praca opublikowana w czasopiśmie PLOS Biology bada, w jaki sposób komórki olbrzymie – znacznie większe od swoich sąsiadów – tworzą mozaikowe wzory na powierzchni liści. Ci „giganci” powstają w wyniku procesu zwanego endoduplikacją, podczas którego DNA ulega wielokrotnej replikacji bez podziału komórki. Wcześniej naukowcy nie wiedzieli, czy te gigantyczne komórki pojawiały się losowo, czy też tworzyły przewidywalny wzór.
Korzystając z obrazowania o wysokiej rozdzielczości i wyrafinowanych modeli komputerowych, zespół badawczy kierowany przez Frances K. Clark i Adrianne Roeder odkrył, że chociaż początkowe powstawanie komórek olbrzymich rzeczywiście wydaje się przypadkowe, ich późniejsze grupowanie następuje w miarę wzrostu i rozszerzania się tkanek. Pomyśl o tym jak o rozsiewaniu nasion: na początku wydają się być rozrzucone losowo. Ale gdy rośliny rosną, a przestrzeń staje się ograniczona, wzory w naturalny sposób zaczynają się formować.
Ten proces porządkowania nie jest wyznaczany przez bezpośrednią komunikację między komórkami, ale powstaje w wyniku połączonego działania wzrostu i przypadku. Gdy nowe komórki dzielą się wokół początkowo przypadkowych komórek olbrzymich, geometria tkanki zmienia się, zamieniając chaos w uporządkowaną mozaikę.
Genetyczni architekci wielkości komórek
W badaniu zidentyfikowano cztery kluczowe geny – ACR4, ATML1, DEK1 i LGO – które pełnią rolę architektów wielkości komórek w tkankach roślinnych. Zwiększanie aktywności LGO skutkowało powstaniem większej liczby komórek olbrzymich, a zwiększenie ATML1 lub LGO zwiększyło ich całkowitą powierzchnię. Niezwykłą rzeczą jest to, że geny te dają różne wyniki w zależności od konkretnej tkanki, w której działają. Komórki olbrzymie pojawiły się na obu powierzchniach liści, ale tylko na spodniej stronie okwiatów (struktury przypominające płatki otaczające kwiat).
Aby jeszcze bardziej zweryfikować ten model, naukowcy współpracowali z naukowcami z Instytutu Hodowli Roślin im. Maxa Plancka w Niemczech. Wspólnie stworzyli symulację komputerową, w której los każdej komórki był losowo określany na podstawie wahań poziomów ATML1, naśladując system biologiczny bez bezpośredniej interakcji komórka-komórka. Wyniki uzyskane z tego modelu niezwykle ściśle odzwierciedlają wzorce obserwowane w rzeczywistych tkankach roślinnych.
Poza roślinami: implikacje dla projektowania i biologii
Wyniki wykraczają poza świat roślin i zapewniają szersze zrozumienie tego, jak porządek może wyłonić się z pozornie przypadkowych początków w różnych układach biologicznych. Zasada ta ma istotne implikacje dla dziedzin takich jak biologia syntetyczna, gdzie badacze starają się projektować złożone struktury przy minimalnej koordynacji. Wykorzystując zasady odkryte w trakcie tych badań, naukowcy mogliby potencjalnie konstruować tkanki roślinne, a nawet zupełnie nowe systemy biologiczne z większą precyzją i wydajnością.
„Losowość to nie chaos, ale podstawowy element składowy” – wyjaśnia Adrienne Roeder. „Wchodzi w interakcję z dynamiką wzrostu, tworząc złożone wzorce, które są niezbędne”. Elegancka prostota tej zasady podkreśla, jak wiele musimy się jeszcze dowiedzieć o ukrytych mechanizmach kontrolujących organizację samego życia.
