Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Jak po zapłodnieniu decyduje się kształt organizmu? Udało się zobrazować ten kluczowy proces

Recommended Posts

Komórki jajowe mają kulisty kształt. Jednak po zapłodnieniu rozpoczyna się ich przemiana w ludzi, psy czy ryby. Tworzą się osie ciała, które decydują, gdzie jest głowa, a gdzie ogon (górna i dolna część ciała człowieka), gdzie brzuch, a gdzie plecy, gdzie strona lewa i strona prawa. Naukowcy z Marine Biological Laboratory (MBL) są pierwszymi, którym udało się obrazować sam początek reorganizacji komórek, która decyduje o ostatecznym kształcie organizmu.

Najbardziej interesującym i tajemniczym zagadnieniem biologii rozwoju jest pochodzenie osi ciała u zwierząt, mówi współautor badań Tomomi Tani. Wraz z Hirokazu Ishim informują oni na łamach Molecular Biology of the Cell, że do rozwoju osi ciała przyczyniają się oboje rodzice. Matka odpowiada za oś brzuch-plecy, a ojciec za oś głowa-ogon. Do określenia planu ciała rozwijającego się embrionu u zwierząt konieczne jest wkład matki i ojca, mówi Tani.

Najnowsze odkrycie nie tylko odpowiada na jedno z fundamentalnych pytań biologicznych, ale może pomóc w stwierdzeniu, dlaczego czasem rozwój przebiega nieprawidłowo. A taka wiedza może przydać się w tak różnych dziedzinach jak medycyna i rolnictwo.

Obowiązująca teoria mówi, że to, jak zostaje ustalona oś ciała zależy od filamentów aktynowych wewnątrz komórki jajowej. Filamenty te odpowiedzialne są za ruch cytoplazmy, zmianę kształtu komórki oraz jej ruch. Odpowiadają też za ruch cytoplazmy po zapłodnieniu. Jednak dotychczas nikomu nie udawało się zobrazować tego procesu, gdyż odbywa się on bardzo szybko i na małych przestrzeniach wewnątrz żywej komórki.

Tani i Ishii wykorzystali fluorescencyjny mikroskop polaryzacyjny – technologię opracowaną przed kilku laty m.in. przez uczonych w MBL, w tym Taniego. Technologia ta pozwala na obrazowanie zjawisk zachodzących na przestrzeni nanometrów.
Za pomocą tej techniki naukowcy obserwowali aktynę w jajach osłonic z rodzaju Ciona. Dzięki spolaryzowanemu światłu i molekułom fluorescencyjnym uczeni byli w stanie obserwować orientację molekuł aktyny.

Gdy Tani i Ishii przyjrzeli się niezapłodnionemu jaju, większość filamentów aktynowych miło przypadkową orientację. Po zapłodnieniu przez jajo przeszła fala jonów wapnia i filamenty aktynowe ułożyły się w jednym kierunku i skurczyły względem osi nachylonej o 90 stopni, pod kątem przyszłej osi brzuch/plecy. Następnie rozpoczął się ruch cytoplazmy. Tworzenie osi ciała rozpoczęło się zaraz po zapłodnieniu.

Naukowcy kontynuują swoje badania. Ich długoterminowym celem jest odkrycie i opisanie sił działających w rozwijających się embrionie, które decydują o jego morfologii i strukturze. Mamy nadzieję, że badania nad molekularnym uporządkowaniem cytoszkieletu pozwolą nam przyjrzeć się zjawiskom mechanicznym, które decydują o morfologii organizmów wielokomórkowych,mówi Tani.

 

Po lewej widzimy falę jonów wapnia przechodzących przez komórkę jajową po zapłodnieniu. Po prawej zaś – ruch cytoplazmy w tym samym jaju.

 

Po lewej jajo przed i po zapłodnieniu. Po prawej zmiany orientacji filamentów aktynowych od czasu przed zapłodnieniem po pierwszy podział komórkowy po zapłodnieniu.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Biolodzy, matematycy i inżynierowie od dawna przyglądali się jajkom z analitycznego punktu widzenia. Jajo musi być bowiem maksymalnie duże, by umożliwić rozwój embrionu, a jednocześnie na tyle małe i o takim kształcie, by zwierzę mogło je znieść, nie może też swobodnie toczyć się, gdy zostanie złożone. Musi być przy tym na tyle wytrzymałe, żeby możliwe było wysiadywanie.
      Jaja składane są przez tysiące gatunków zwierząt. A kształt wszystkich jaj ma wiele ze sobą wspólnego. Naukowcy od dawna próbowali opisać ten kształt za pomocą jednej uniwersalnej formuły. Brali przy tym pod uwagę takie kształty jak sfera, elipsoida, owoida i kształt gruszki. Pojawiały się dotychczas propozycja rozwiązania problemu, jednak żaden z zaproponowanych wzorów nie opisywał wszystkich występujących w naturze kształtów jaj.
      Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Kent i Instytutu Badań nad Środowiskiem na Ukrainie, wprowadzili dodatkowe funkcje do kształtu owoidy, dzięki czemu udało im się stworzyć wzór opisujący każdą istniejącą geometrię jajka.
      Opracowanie wzoru dla jajka to nie tylko matematyczna zabawa. Wzór taki pozwoli lepiej zrozumieć sam kształt, ułatwi badania nad ewolucją jaj i pozwoli na stworzenie nowych narzędzi do ich analizy.
      Już dotychczas istniejące wzory, które opisywały podstawowe kształty jaj, były stosowane w badaniach nad żywnością, w inżynierii, rolnictwie, architekturze, naukach biologicznych i aeronautyce. Nowy wzór pozwoli, na przykład, na wznoszenie budowli o kształcie jaja z cienkimi ścianami, które będą bardziej wytrzymałe niż obecnie stosowane podobne kształty. Umożliwi też lepsze charakteryzowanie tych ważnych struktur biologicznych z fizycznego punktu widzenia.
      Praca uczonych z Ukrainy i Wielkiej Brytanii została opublikowana w artykule Egg and math: introducing a universal formula for egg shape na łamach Annals of the New York Academy of Sciences.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Trójce naukowców z Francji i Niemiec udało się aż 38-krotnie zmniejszyć limit dyfrakcyjny. Osiągnęli to pozwalając falom dowolnie odbijać się i rozpraszać w zamkniętej przestrzeni. Dzięki temu udało się określić położenie niewielkiego sześcianu z dokładnością 1/76 długości fali promieniowania mikrofalowego wykorzystanego podczas eksperymentów.
      Limit dyfrakcyjny ogranicza dokładność obrazowania czy lokalizacji obiektu i jest związany z dyfrakcją, czyli ugięciem fal wokół materiału. Limit ten, najmniejsza wyczuwalna różnica dla danej długości fali, wynosi 1/2 tej długości. Oznacza to, że w sposób konwencjonalny nie jesteśmy w stanie odróżnić od siebie np. dwóch przedmiotów, jeśli różnią się elementem, którego wielkość jest mniejsza niż 1/2 długości fali za pomocą obiekty te obrazujemy. Stworzono więc różne metody na pokonanie limitu dyfrakcyjnego. Często jednak ich zastosowanie jest trudne bądź niepraktyczne.
      Michael del Hougne z Uniwersytetu w Wurzburgu, Sylvain Gigan z Laboratoire Kastler Brossel oraz Philipp del Hougne z Uniwersytetu w Rennes wykorzystali doświadczenia z techniką tzw. kodowanej apertury. W technice tej wykorzystuje się powierzchnię rozpraszającą, taką jak np. wnękę o nieregularnym kształcie umieszczoną pomiędzy oświetlanym obiektem a wykrywaczem. Powierzchnia jest modyfikowana za pomocą maski, która blokuje pewne fale, uniemożliwiając im dotarcie do wykrywacza. Za pomocą wielu pomiarów uzyskiwany jest matematyczny model obserwowanego obiektu.
      Badacze wykorzystali tę koncepcję do opracowania techniki jeszcze lepiej oddającej szczegóły poniżej długości fali. Umieścili badany obiekt, wykrywacz i źródło światła wewnątrz wnęki, od której powierzchni odbijały się fale. Metoda ta wykorzystuje fakt, że fale wielokrotnie napotkają na badany obiekt, zanim dotrą do wykrywacza. Wewnątrz wnęki znajdują się też programowalne metapowierzchnie, zmieniające strukturę, na której rozpraszają się fale.
      Uczeni testowali swoją technikę umieszczając metalowy sześcian o boku 4,5 cm wewnątrz wnęki o szerokości 1 metra. Do badania obiektu wykorzystali mikrofale o długości 12 cm oraz wykrywacz, z którego sygnały były przetwarzane przez sieć neuronową. Gdy przesunęli sześcian w inne miejsce, byli w stanie określić jego pozycję z dokładnością do 0,16 cm. To ok. 1/76 długości fali użytej do badania, zatem znacznie poniżej limitu dyfrakcyjnego. Dokładność pomiaru zwiększała się, gdy fale mogły odbijać się dłużej.
      Technika wymaga jeszcze dopracowania, ale jej twórcy uważają, że przyda się ona do nieinwazyjnego lokalizowania niewielkich obiektów w dużych pomieszczeniach za pomocą fal radiowych lub dźwiękowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na australijskim University of Queensland powstał pierwszy mikroskop wykorzystujący efekt splątania kwantowego, który przewyższa obecnie dostępne mikroskopy. Pozwala on dostrzec niewidoczne dotychczas struktury biologiczne. Mikroskop będzie niezwykle przydatny w biotechnologii, a wykorzystane przezeń techniki mogą znaleźć szereg zastosowań od nawigacji po obrazowanie medyczne.
      Ten przełom pozwoli na rozwój wielu nowych technologii, od doskonalszych systemów nawigacyjnych po lepsze maszyny do rezonansu magnetycznego, mówi profesor Warwick Bowen z Quantum Optics Lab i ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems.
      W końcu pokazaliśmy czujnik, który przewyższa istniejące technologie niekwantowe. To niezwykle ekscytujące. Mamy tutaj pierwszy dowód na to, że wykorzystanie splątania kwantowego w obrazowaniu może prowadzić do całkowitej zmiany paradygmatu, stwierdza Bowen.
      W opracowanej przez australijską armię Quantum Technology Roadmap, czujniki kwantowe mają dokonać rewolucji w dziedzinie opieki zdrowotnej, inżynierii, transporcie czy wykorzystaniu surowców.
      Największym osiągnięciem australijskich naukowców jest przekroczenie niepokonanej dotychczas bariery, z którą zmagała się mikroskopia optyczna. Najlepsze mikroskopy optyczne wykorzystują lasery, których światło jest miliardy razy jaśniejsze niż światło słoneczne. Delikatne systemy biologiczne, jak ludzkie komórki, mogą przetrwać w takich warunkach jedynie przez krótki czas. To poważny problem. Tymczasem dzięki kwantowemu splątaniu uzyskaliśmy w naszym mikroskopie 35-procentową poprawę jakości obrazu bez jednoczesnego niszczenia komórek. To pozwoliło nam na zobrazowanie miniaturowych struktur, które normalnie pozostałyby niewidoczne, wyjaśnia Bowen.
      Badania Australijczyków zostały opisane na łamach Nature. Były one finansowane przez Biuro Badań Naukowcy US Air Force oraz Australian Resarch Council.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W 2018 roku naukowcy z Cornell University zbudowali wysoko wydajny wykrywacz, połączyli go z ptychografią, specjalną metodą obrazowania mikroskopowego i ustanowili światowy rekord obrazowania, uzyskując trzykrotnie większą rozdzielczość obrazu niż najlepsze mikroskopy elektronowe. Teraz ten sam zespół pobił swój własny rekord, dwukrotnie poprawiając rozdzielczość obrazu.
      Uzyskano niezwykle wyraźny obraz, a jedyne rozmazane elementy pochodzą od zmian termicznych samych atomów. To nie jest po prostu nowy rekord. Wkroczyliśmy w obszar ostatecznych limitów rozdzielczości. Możemy teraz w bardzo prosty sposób wskazać, gdzie znajdują się atomy. To zaś otwiera całkiem nowe możliwości pomiaru, o których marzyliśmy od dawna. Rozwiązaliśmy też poważny problem, który Hans Bethe zauważył w 1928 roku, poradziliśmy sobie z rozpraszaniem promienia w próbce, mówi Muller.
      Dzięki nowym algorytmom jesteśmy teraz w stanie skorygować wszelkie rozmazane kształty do tego stopnia, że największy rozmazany obszar, jaki otrzymujemy wynika z faktu, że same atomy się poruszają, dodaje uczony. Niewykluczone, że obraz można jeszcze poprawić, używając cięższych atomów, które mniej się poruszają, lub też schładzając próbkę. Jednak nawet w temperaturze zera absolutnego w atomach wciąż będzie dochodziło do fluktuacji kwantowych, zatem poprawa nie będzie szczególnie duża w porównaniu z już uzyskanym obrazem.
      Najnowsze osiągnięcie naukowców z Cornell University oznacza, że specjaliści będą mogli zlokalizować indywidualne atomy w przestrzeni trójwymiarowej, co nie było możliwe za pomocą dotychczasowych metod. Możliwe będzie tez znalezienie zanieczyszczeń atomowych w różnych materiałach, co przełoży się na stworzenie doskonalszych półprzewodników, katalizatorów czy materiałów wykorzystywanych do budowy komputerów kwantowych. Możliwe będzie też analizowanie atomów na styku dwóch różnych połączonych materiałów.
      Bardzo ważnym elementem pracy jest fakt, że nową metodę można też wykorzystać do analizowania próbek biologicznych, a nawet połączeń pomiędzy synapsami w mózgu.
      Zastosowana metoda jest czasochłonna i wymaga dostępu do dużych mocy obliczeniowych, jednak w przyszłości dzięki potężniejszym komputerom, metodom maszynowego uczenia i szybszym czujnikom stanie się tańsza i łatwiej dostępna.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po raz pierwszy w historii wyhodowano i utrzymano przy życiu małpi embrion zawierający ludzkie komórki. Z najnowszego numeru Cell dowiadujemy się, że chińsko-amerykańsko-hiszpański zespół naukowy wprowadził ludzkie komórki macierzyste do małpich embrionów i obserwował, jak się one rozwijają. Uczeni informują, że ludzkie i małpie komórki podlegały podziałowi i wzrostowi. Co najmniej 3 takie embriony przetrwały w warunkach laboratoryjnych przez 19 dni.
      Badania przeprowadził ten sam zespół, który w ubiegłym roku poinformował, iż w warunkach laboratoryjnych jest w stanie utrzymać przy życiu małpi embrion przez 20 dni od zapłodnienia. W 2017 roku ci sami naukowcy informowali o utworzeniu świńskich i krowich embrionów z ludzkimi komórkami oraz szczurzych embrionów z komórkami myszy.
      Ostatnie badania podzieliły jednak środowisko naukowe. Specjaliści kwestionują potrzebę tego typu badań z wykorzystaniem bliskich krewnych człowieka. Zwierzęta te nie są wykorzystywane w nauce w taki sposób jak myszy czy inne gryzonie. Są też chronione przez bardziej ścisłe przepisy i zasady etyczne. Tworzenie chimer człowieka z nieczłowiekowatymi będzie napotykało opór społeczny, co może przełożyć się na opór wobec tego typu badań w ogóle.
      Naukowcy zajmujący się tworzeniem chimer ludzko-zwierzęcych mają nadzieję, że w ten sposób uda się lepiej testować leki czy hodować organy do przeszczepów. Jak zauważa Alfonso Martinez Arias, biolog z Uniwersytetu Pompeu Fabra w Barcelonie, eksperymenty z takimi zwierzętami jak świnie czy krowy są bardziej obiecujące i trudniej tutaj o przekroczenie granic etycznych.
      Juan Carlos Izpisua Belmonte z Salk Institute for Biological Studies, który brał udział w najnowszych badaniach, zapewnia, że nikt nie myśli o implantowaniu hybrydowego embriona małpie. Celem badań jest lepsze zrozumienie, jak komórki różnych gatunków komunikują się ze sobą w embrionie. Izpisua Belmonte mówi, że prace nad chimerami ludzko-mysimi są o tyle trudne, że to dwa odległe od siebie gatunki, więc ich komórki komunikują się na różne sposoby. Jeśli więc lepiej zrozumiemy sposób komunikacji komórek w chimerach ludzko-małpich, będziemy w stanie poprawić chimery ludzko-mysie, mówi Izpisua Belmonte.
      Podczas najnowszych eksperymentów naukowcy zapłodnili jaja makaka krabożernego. Sześć dni po zapłodnieniu do 132 embrionów wprowadzono ludzkie pluripotencjalne komórki macierzsyte. W każdym z embrionów rozwijała się unikatowa kombinacja ludzkich i małpich komórek. Embriony umierały też w różnych tempie. W 11. dniu po zapłodnieniu żyło 91 embrionów, w dniu 17. zostało ich tylko 12, a w dniu 19 – zaledwie 3.
      Magdalena Zernicka-Goetz z California Institute of Technology zauważa, że badania te dowodzą, iż ludzkie komórki macierzyste mogą być wprowadzane do małpich embrionów. Dodaje, że autorzy badań nie byli w stanie kontrolować, w jaki typ komórek rozwiną się ludzkie komórki macierzyste, a jest to kluczowy warunek, by technologie takie wykorzystać np. do hodowli organów.
      Z kolei Martinez Arias bardziej sceptycznie podchodzi do wyników badań. Zwraca on uwagę, że po 15. dniu od zapłodnienia doszło do śmierci wielu embrionów, a to wskazuje, że ich rozwój był bardzo daleki od prawidłowego.
      Próby tworzenia chimer ludzi z małpami rodzą spory opór etyczny. Wprowadzane są kolejne przepisy regulujące tę kwestię. W przyszłym miesiącu zostaną opublikowane nowe wytyczne International Society for Stem Cell Research (ISSCR). Obecnie organizacja ta zabrania rozmnażania chimer ludzko-zwierzęcych i rekomenduje większy nadzór nad badaniami, gdzie ludzkie komórki mogą być integrowane w zwierzęcego gospodarza rozwijającego centralny układ nerwowy. Nie wiemy na razie, jakie będą nowe zalecenia.
      W wielu krajach, w tym w USA, Wielkiej Brytanii i Japonii istnieją przepisy ograniczające badania nad chimerami, do stworzenia  których wykorzystano ludzkie komórki. W roku 2019 Japonia zniosła zakaz prowadzenia badań z użyciem zwierzęcych embrionów zawierających ludzkie komórki i zaczęła badania takie finansować.
      W 2015 roku amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) wprowadziły moratorium na finansowanie z budżetu federalnego badań, w czasie których ludzkie komórki są wprowadzane do embrionów zwierzęcych. W 2016 pojawiła się propozycja zniesienia moratorium. Do dzisiaj pozostaje ono w mocy. Rzecznik prasowy NIH powiedział, że agencja czeka obecnie na nowe wytyczne ISSCR.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...