Penelitian Baru mendekode Cetak Biru Listrik Pengembangan Embrio
Bagaimana sel memanfaatkan medan listrik untuk memandu migrasi mereka selama pengembangan embrionik.
Ketika embrio berkembang, sel -sel terus berkomunikasi untuk berorganisasi menjadi jaringan dan organ. Proses ini membutuhkan sel untuk menafsirkan berbagai sinyal lingkungan, yang dapat bersifat kimia atau mekanik. Namun, sinyal -sinyal ini saja tidak sepenuhnya menjelaskan bagaimana sel bermigrasi secara kolektif. Semakin banyak bukti menunjukkan bahwa medan listrik embrionik juga berperan dalam memandu pergerakan sel. Sampai sekarang, asal -usul dan mekanisme di balik medan listrik ini dalam embrio tetap tidak jelas.
“Kami telah mengkarakterisasi pola arus bioelektrik endogen, yang menyerupai medan listrik selama pengembangan, dan menunjukkan bahwa arus ini dapat memandu migrasi populasi sel yang dikenal sebagai lambang saraf,” menyoroti Dr. Elias H. Barriga, penulis yang sesuai yang memimpin Studi.
Dr. Barriga dan timnya memulai penelitian mereka tentang lambang saraf di Gulbenkian Institute of Science (IGC) di Oeiras, Portugal, sebelum melanjutkan pekerjaan mereka di Dresden, di mana mereka mendirikan kelompok penelitian dalam kelompok Fisika Keunggulan Kehidupan.
Neural Crest adalah komponen penting dari pengembangan embrionik. Kelompok sel ini memunculkan tulang wajah dan leher, serta bagian dari sistem saraf. Barriga dan timnya menemukan bahwa selama pengembangan, sel -sel puncak saraf dipandu oleh medan listrik internal, berfungsi seperti pengemudi yang menanggapi sinyal sipir lalu lintas.
Kelompok ini menemukan bahwa melalui proses ini, yang dikenal sebagai electrotaxis, sel dapat merasakan arah dari medan listrik yang dihasilkan di dalam embrio dan bergerak sesuai. Pengamatan ini sebelumnya sebagian besar terbatas pada studi sel yang dikultur, tetapi sekarang ditunjukkan dalam embrio yang sedang berkembang. Tetapi pertanyaan penting tetap tidak terjawab: bagaimana sel -sel menafsirkan arus ini dan menerjemahkannya ke dalam gerakan terarah?
Decoding respons seluler terhadap medan listrik
Untuk menjawab pertanyaan ini, Dr. Barriga dan timnya mengidentifikasi enzim yang dikenal sebagai fosfatase-sensitif tegangan 1 (VSP1) yang ditemukan dalam sel krista saraf. Karena struktur serbaguna VSP1, tampaknya mampu merasakan dan mentransduksi sinyal listrik. Untuk mengkonfirmasi bahwa VSP1 diperlukan untuk electrotaxis, para peneliti menciptakan versi yang rusak dari enzim dan menunjukkan bahwa elektrotaxis kolektif terganggu dalam sel yang disuntikkan dengan salinan ini.
“Bagi saya, menerapkan alat yang saya kembangkan untuk menargetkan ekspresi gen dalam konteks bioelektrik sangat bermanfaat, dan saya berharap potensinya sepenuhnya dieksploitasi,” kata Dr. Sofia Moreira, seorang ilmuwan postdoctoral yang bekerja pada penelitian ini. Berlawanan dengan harapan, VSP1 tampaknya tidak relevan untuk gerakan itu sendiri, tetapi sebaliknya dapat secara khusus mengubah gradien arus listrik menjadi migrasi terarah dan kolektif.
Ini adalah pengamatan yang unik, karena sebagian besar sensor enzim diperlukan untuk gerakan itu sendiri, sehingga sulit untuk mempelajari peran mereka dalam mengarahkan arah. Melangkah lebih jauh, penulis juga mengusulkan bagaimana medan listrik dapat terbentuk; Melalui peregangan mekanis suatu daerah yang dikenal sebagai lipatan saraf. Saat sel -sel di wilayah ini meregang, ini menyebabkan aktivasi saluran ion spesifik, menghasilkan gradien tegangan. Kemudian, ketika sel -sel menghadapi gradien ini, VSP1 mengubah sinyal listrik menjadi isyarat arah, memberi tahu sel -sel ke mana harus pergi, dan hasil migrasi sel kolektif.
Ini adalah bukti eksperimental pertama yang menunjukkan bahwa medan listrik muncul di sepanjang jalur di mana sel -sel puncak saraf bermigrasi, dan untuk menjelaskan mekanisme asal mereka. Penemuan ini menyoroti kontribusi berharga yang disediakan bioelektrik selama pengembangan embrionik.
Implikasi untuk biologi perkembangan dan seterusnya
Dengan memajukan pengetahuan kita tentang elektrotaxis dalam hewan yang hidup, penelitian ini membuka kemungkinan baru untuk meniru proses perkembangan di laboratorium, dengan ketepatan lebih besar dari sebelumnya.
Penulis pertama penelitian ini, ilmuwan postdoctoral Dr. Fernando Ferreira mencatat “Makalah ini menjembatani kesenjangan penting yang sudah tua dalam beberapa dekade dalam penelitian bioelektrik, dan sangat bermanfaat untuk menjadi bagian dari kebangkitan yang berkelanjutan dalam bioelektrik perkembangan”. Namun, penelitian tentang mekanisme elektrotaxis masih berlangsung.
“Dalam perspektif yang lebih luas, kami sekarang telah memperkenalkan pemain lain ke dalam proses rumit morfogenesis jaringan,” catat Dr. Barriga. “Pertanyaannya adalah sekarang, bagaimana ini cocok dengan kerangka kerja yang sudah mapan dari isyarat mekanis dan kimia selama embriogenesis?”
Di luar perkembangan, mekanisme serupa mungkin juga ada selama penyembuhan luka dan perkembangan kanker. Memahami bagaimana medan listrik memandu migrasi sel bahkan dapat menginspirasi strategi baru yang potensial dalam rekayasa jaringan dan kedokteran regeneratif. Namun, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk memperluas peran medan listrik dalam perilaku seluler, dan meningkatkan pemahaman kita tentang fisika di balik sistem kehidupan.
Referensi: “Medan listrik endogen yang diinduksi peregangan mengarahkan migrasi sel kolektif yang diarahkan in vivo”Oleh Fernando Ferreira, Sofia Moreira, Min Zhao dan Elias H. Barriga, 17 Januari 2025, Bahan Alam.
Doi: 10.1038/s41563-024-02060-2
Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari Dewan Penelitian Eropa Start Hibah (ERC-STG) di bawah Program Penelitian dan Inovasi Horizon 2020 Uni Eropa, Perjanjian Hibah no. 950254 (ke EHB); Hibah instalasi Organisasi Biologi Molekuler Eropa (EMBO), Proyek no. 4765 (ke EHB); Program Investigator Muda EMBO, Proyek no. 5248 (ke EHB); EMBO Postdoctoral Fellowship, ALTF 27-2020 (ke FF); Pemimpin junior La Caixa Masuk, no. 94978 (ke EHB); dan fundação para a ciência ea tecnologia (fct) Postdoctoral Fellowship, 2020.00759.ceecind (ke SM). Research by EHB was also supported by the IGC, Fundação Calouste Gulbenkian (FCG), start-up grant I-411133.01, and from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany's Excellence Strategy (EXC 2068, 390729961), Cluster of Fisika Keunggulan Kehidupan Tu Dresden.
