On löydetty uusi geometrinen muoto, joka mahdollistaa epiteelisolujen kolmiulotteisen pakkaamisen kaarevia kudoksia ja elimiä tehtäessä.
Jokainen elävä organismi alkaa yksittäisenä organismina solu, jotka sitten jakautuvat useammiksi soluiksi, jotka jakautuvat ja jakautuvat edelleen miljardeihin solut muodostuvat koko organismin luomiseksi. Sen yksi arvoituksellisimmista puolista biologia kuinka soluista alkaen muodostuu ensin kudoksia ja sitten elimiä. Pohjimmiltaan vain muutaman solun muodostamasta alkion yksinkertaisesta rakenteesta tulee elävä organismi, jolla on monimutkaiset elimet. Esimerkiksi miljoonat epiteelisolut pakautuvat yhteen muodostaen ihmisen iho, suurin elimemme ja vahvin este. Jos meidän iho oli täysin tasainen pinta, tunnettuja geometrisia muotoja voitiin pinota yhteen ihon rakentamiseksi. Mutta koska kehomme ei ole litteä, näiden epiteelisolujen on kaartuva ja taivutettava itseään. Epiteelisolut eivät vain muodosta ihomme ulkokerrosta, vaan ne myös peittävät ihon veri kaikkien eläinten suonet ja elimet. Kun alkio kehittyy, kudokset (valmistettu soluista) taipuvat ja muodostavat monimutkaisia kolmiulotteisia muotoja, joista tulee sitten elimiä, kuten sydän tai maksa jne. Alkulohkot epiteelisolut "liikkuvat" ja "liittyvät" yhteen organisoituakseen ja pakautuvat tiiviisti antaakseen elimelle sen lopullisen kolmiulotteisen muoto, koska useimmat elimet ovat kaarevia rakenteita. Tämän kaarevuusvaatimuksen vuoksi ymmärretään, että elimiä reunustavan epiteelisolujen on omaksuttava pylväs- tai pullon muotoja, jotta ne voivat ympäröidä elimiä alkion kasvaessa. Epiteelisolut tarjoavat myös muita toimintoja, kuten esteen muodostamisen infektioita vastaan ja ravinteiden imeytymistä.
Uusi muoto löydetty!
Sevillan yliopiston (Espanja) ja Lehighin yliopiston (USA) tutkijat päättelevät Nature Communications -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan, että epiteelisolut omaksuvat muodon, joka muistuttaa "kierrettyjä prismoja". Tämä uusi kiinteä geometrinen muoto on nimetty "scutoid'. Tämän muodon ansiosta epiteelisolut voivat saavuttaa tarkoituksensa tarjota kolmiulotteinen kansi elimille. Scutoid on prisman kaltainen rakenne, jossa on kuusi sivua toisella puolella ja viisi sivua toisella sekä kolmiopinta toisessa prisman pitkästä reunasta. Tämän ainutlaatuisen scutoid-rakenteen ansiosta ne voidaan pinota yhteen vuorotellen viisi- ja kuusisivuisilla päillä, jotka mahdollistavat kaarevien pintojen luomisen. Tätä nimeä ei ole geometriassa, ja tutkijat valitsivat sen huolellisen harkinnan jälkeen ja koska scutoid on samankaltainen kovakuoriaisen scutellun muodon kanssa, joka on hyönteisen rintakehän takapää.
Scutoid muoto on runsas
Tutkijat käyttivät laskennallista mallinnustekniikkaa hyödyntäen Voronoi-kaaviota. Tämä on yleisimmin käytetty työkalu geometristen muotojen ymmärtämiseen eri aloilla. Mallinnuskokeet osoittivat, että kun kudoksen kaarevuus kasvaa, näitä kudoksia muodostavat solut käyttivät monimutkaisempia muotoja kuin vain pylväitä ja pullon muotoja, kuten aiemmin uskottiin. Epiteelisolut omaksuvat muodon, jota ei aiemmin kuvattu, ja tämä tietty muoto auttaa soluja tekemään niistä energiatehokkaampia ja samalla maksimoimaan tasaisen pakkauksen. Tutkijat tarkastelivat tarkasti eri kudosten kolmiulotteista pakkaamista eri eläimissä analysoidakseen näkemyksiään. Kokeelliset tiedot osoittivat, että epiteelisolut omaksuvat hyvin samanlaisia 3D motiivit laskennallisen mallinnuksen ennustamana. Siis tämä uusi muoto scutoid auttaa taivutuksessa ja kaareutumisessa ja mahdollistaa optimaalisimman tavan soluille pysyä vakaasti pakattuna. Todettuaan uuden muodon olemassaolon tutkijat tutkivat muissa organismeissa scutoid-tyyppistä muotoa ja havaitsivat, että tätä muotoa oli runsaasti läsnä. Näitä scutoid-kaltaisia muotoja on löydetty myös seeprakalojen epiteelisoluista ja hedelmäkärpästen sylkirauhasista ja erityisesti niiltä alueilta, joilla kudos vaatii eniten kaareutuvaa eikä tasaista.
Tämä on erittäin mielenkiintoinen ja ainutlaatuinen löytö, joka voi edistää ymmärrystämme ja auttaa meitä hallitsemaan elinten kolmiulotteista järjestystä (morfogeneesi). Se voi valaista enemmän siitä, mitä tapahtuu, kun elin ei muodostu oikein, mikä johtaa sairauksiin. Siitä voisi olla valtava apu keinoelinten kasvattamisen ja kudostekniikan alalla, koska oikean pakkausrakenteen omaavien telineiden rakentaminen johtaisi parempiin tuloksiin. Tämän uuden muodon löytämisellä on potentiaalisia sovelluksia useilla tieteenaloilla.
***
Lähteet)
Gómez-Gálvez P et ai. 2018. Scutoidit ovat geometrinen ratkaisu epiteelin kolmiulotteiseen pakkaamiseen. Luonto Viestintä. 9 (1).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05376-1
***
