Các nhà khoa học nghiên cứu cách lực ma sát thúc đẩy sự tiến hóa ở sinh vật biển

Khi người thợ gốm làm việc trên một bánh xe quay, ma sát giữa bàn tay của họ và đất sét mềm giúp họ tạo hình nó thành đủ loại hình dạng và sáng tạo. Tương tự như vậy, các tế bào trứng biển (tế bào trứng chưa trưởng thành) khai thác sự ma sát trong các ngăn khác nhau bên trong chúng để trải qua những thay đổi phát triển sau khi thụ thai. Một nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm của Heisenberg tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA), được công bố trên tạp chí Vật lý tự nhiênbây giờ mô tả cách thức hoạt động của nó.

Mực biển bám vào các rạn san hô. Sinh vật biển là một mô hình tuyệt vời để nghiên cứu quá trình phát triển của động vật có xương sống.

Sinh vật biển đa dạng: thế giới mực biển

Biển có đầy đủ các dạng sống tuyệt vời. Từ tảo và các loài cá đầy màu sắc đến ốc biển và mực biển, một thế giới hoàn toàn khác hiện ra dưới nước. Mực biển, hay đặc biệt là cái bát, rất khác thường: sau giai đoạn ấu trùng di chuyển tự do, ấu trùng định cư và bám vào các bề mặt cứng như đá hoặc san hô, phát triển các ống (siphon), đây là đặc điểm nổi bật của chúng. Mặc dù chúng trông giống như những đốm cao su khi trưởng thành nhưng chúng là họ hàng không xương sống gần gũi nhất với con người. Đặc biệt ở giai đoạn ấu trùng, mực biển giống chúng ta một cách đáng ngạc nhiên.

Vì vậy, ascetic thường được sử dụng làm sinh vật mẫu để nghiên cứu sự phát triển phôi thai sớm. Động vật có xương sống Mà con người thuộc về. “Trong khi người ascidians thể hiện các đặc điểm hình thái và phát triển cơ bản của động vật có xương sống, chúng cũng có sự đơn giản về tế bào và bộ gen điển hình của động vật có xương sống.” Động vật không xương sốngCarl Philipp Heisenberg, giáo sư tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA), giải thích: “Đặc biệt, ấu trùng ascidian là mô hình lý tưởng để tìm hiểu sự phát triển ban đầu của động vật có xương sống”.

Các nhà nghiên cứu đã dán nhãn protein Actin trong vỏ Actomyosin (trái, nhuộm màu xanh lá cây) và cơ chất (nhuộm màu xanh lam bên phải) để hình dung chuyển động của chúng sau khi trứng được thụ tinh. Khi vỏ Actomyosin ở vùng phía dưới của trứng di chuyển, nó sẽ tương tác cơ học với cơ chất, khiến nó bị cong lại. Các khóa cuối cùng hòa tan vào cực co. Nhà cung cấp hình ảnh: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Công trình gần đây nhất của nhóm nghiên cứu của ông được xuất bản trên Vật lý tự nhiên, hiện cung cấp những hiểu biết mới về sự phát triển của nó. Kết quả chỉ ra rằng khi trứng khổ hạnh được thụ tinh, lực ma sát đóng vai trò quan trọng trong việc tu sửa và tổ chức lại bên trong chúng, báo trước các bước tiếp theo trong chuỗi phát triển của chúng.

Giải mã sự biến thái của trứng

Noãn là tế bào mầm nữ tham gia vào quá trình sinh sản. Sau khi được tinh trùng đực thụ tinh thành công, trứng động vật thường trải qua quá trình tái tổ chức tế bào chất, thay đổi nội dung và thành phần tế bào của chúng. Quá trình này đặt ra một kế hoạch chi tiết cho sự phát triển sau này của thai nhi. Ví dụ, trong trường hợp của người khổ hạnh, sự sửa đổi này dẫn đến sự hình thành một khối nhô ra giống như chiếc chuông – một khối lồi nhỏ hoặc hình mũi – được gọi là cực co (CP), nơi tích tụ các chất thiết yếu tạo điều kiện cho sự trưởng thành của thai nhi. Nhưng cơ chế cơ bản thúc đẩy quá trình này vẫn chưa được biết.

Sự hình thành của một cực co. Thời gian trôi qua dưới kính hiển vi của sự thay đổi hình dạng tế bào trong tế bào trứng xenograft sau khi thụ tinh: từ trứng không được thụ tinh đến bắt đầu cực co bóp đến hình thành cực co bóp đến tái hấp thu cực co lại. Nhà cung cấp hình ảnh: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Một nhóm các nhà khoa học từ ISTA, Đại học Thành phố Paris, CNRS, King's College London và Sorbonne đã bắt đầu làm sáng tỏ bí ẩn này. Để thực hiện nỗ lực này, Tập đoàn Heisenberg đã nhập khẩu những con ascidians trưởng thành từ Cảng hàng hải Roscoff ở Pháp. Hầu hết mực biển đều là loài lưỡng tính vì chúng tạo ra cả tế bào mầm đực và cái. “Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi giữ chúng trong bể nước mặn ở Phân loạiSilvia Caballero Mancebo, tác giả đầu tiên của nghiên cứu này và là cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Heisenberg, cho biết: “Một cách thuận tiện để lấy trứng và tinh trùng để nghiên cứu sự phát triển phôi ban đầu của chúng”.

Sự hình thành của một cực co. Thời gian trôi đi bằng kính hiển vi của sự thay đổi hình dạng tế bào ở tế bào trứng khổ hạnh sau khi thụ tinh: từ trứng không được thụ tinh (hình ảnh đầu tiên từ bên trái) đến sự bắt đầu cực co bóp (hình ảnh thứ hai và thứ ba từ bên trái) và hình thành cực co bóp (hình ảnh thứ tư từ bên trái). Nguồn: © Caballero-Mancebo và cộng sự/Vật lý tự nhiên

Các nhà khoa học đã phân tích trứng khổ hạnh được thụ tinh bằng kính hiển vi và nhận ra rằng chúng tuân theo những thay đổi có khả năng tái tạo cao về hình dạng tế bào dẫn đến sự hình thành cực co bóp. Nghiên cứu đầu tiên của các nhà nghiên cứu tập trung vào vỏ Actomyosin (tế bào), một cấu trúc động được tìm thấy bên dưới màng tế bào ở tế bào động vật. Nó bao gồm các sợi Actin và protein vận động, và thường hoạt động như một động cơ để thay đổi hình dạng trong tế bào.

Caballero-Mancebo tiếp tục: “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi các tế bào được thụ tinh, sức căng tăng lên ở vỏ Actomyosin khiến chúng co lại, kích hoạt sự chuyển động (dòng chảy) của chúng, dẫn đến những thay đổi ban đầu về hình dạng tế bào”. Tuy nhiên, dòng Actomyosin đã ngừng lại trong quá trình mở rộng cực co lại, cho thấy rằng có thêm những người chơi chịu trách nhiệm cho sự nhô ra.

Silvia Caballero Mancebo. Sinh viên tốt nghiệp ISTA tìm thấy niềm vui lớn khi giải đáp những bí ẩn của thiên nhiên và biến chúng thành tiểu thuyết. Nguồn hình ảnh: © Nadine Boncione/ISTA

Lực ma sát ảnh hưởng đến việc tu sửa tế bào

Các nhà khoa học đã xem xét kỹ hơn các thành phần tế bào khác có thể đóng vai trò trong việc mở rộng cực co. Khi làm như vậy, họ gặp phải cơ chất, một lớp được tạo thành từ các bào quan và phân tử nội bào (các dạng liên quan được tìm thấy ở nhiều trứng của động vật có xương sống và động vật không xương sống), tập trung ở vùng phía dưới của tế bào trứng khổ hạnh. Caballero-Mancebo giải thích: “Lớp cụ thể này hoạt động giống như một vật liệu rắn, có thể co giãn, nó thay đổi hình dạng theo trứng trong quá trình thụ tinh”.

Carl Philipp Heisenberg tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA). Nhóm nghiên cứu gồm các nhà sinh học tế bào tại ISTA nghiên cứu mực biển và cá ngựa vằn và cố gắng tìm hiểu cách các nhóm tế bào vô tổ chức biến đổi thành hình dạng phức tạp khi chúng phát triển. Nguồn hình ảnh: © Nadine Boncione/ISTA

Trong quá trình di chuyển của vỏ Actomyosin, cơ chất sẽ gấp lại và tạo thành vô số nút thắt do lực ma sát tồn tại giữa hai thành phần. Khi chuyển động của Actomyosin dừng lại, lực ma sát cũng biến mất. Caballero-Mancebo cho biết thêm: “Việc dừng lại này cuối cùng dẫn đến sự giãn nở của cực co khi nhiều khóa cơ chất hòa tan thành một phần nhô ra hình chuông được xác định rõ”.

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách các lực cơ học xác định hình dạng tế bào và sinh vật. Nó cho thấy lực ma sát có vai trò then chốt trong sự hình thành và hình thành của một sinh vật đang phát triển. Tuy nhiên, các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu hiểu được vai trò cụ thể của ma sát trong sự phát triển của phôi thai. Heisenberg cho biết thêm: “Myoplasm cũng rất thú vị vì nó cũng tham gia vào các quá trình phôi thai khác ở người khổ hạnh. Việc khám phá các đặc tính vật lý khác thường của nó và hiểu được vai trò của nó trong việc hình thành mực biển sẽ rất thú vị.”

Tham khảo: “Lực ma sát quyết định sự tái tổ chức tế bào chất và sự thay đổi hình dạng của tế bào trứng khi thụ tinh” của Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris và Carl Philipp Heisenberg, ngày 9 tháng 1 năm 2024, Vật lý tự nhiên.
doi: 10.1038/s41567-023-02302-1