När embryon utvecklas, de följer förutbestämda mönster av vävnadsveckning, så att individer av samma art slutar med nästan identiskt formade organ och mycket lika kroppsformer.

MIT-forskare har nu upptäckt en nyckelfunktion hos embryonal vävnad som hjälper till att förklara hur denna process utförs så troget varje gång. I en studie av fruktflugor, de fann att reproducerbarheten av vävnadsveckning genereras av ett nätverk av proteiner som ansluter som ett fiskenät, skapa många alternativa vägar som vävnader kan använda för att vika sig på rätt sätt.

"Vad vi fann är att det finns mycket redundans i nätverket, säger Adam Martin, en MIT docent i biologi och senior författare till studien. "Cellerna interagerar och ansluter med varandra mekaniskt, men du ser inte att enskilda celler tar på sig en så viktig roll. Det betyder att om en cell skadas, andra celler kan fortfarande ansluta till olika delar av vävnaden."

För att avslöja dessa nätverksfunktioner, Martin arbetade med Jörn Dunkel, en MIT-docent i fysisk tillämpad matematik och en författare till tidningen, att tillämpa en algoritm som normalt används av astronomer för att studera galaxernas struktur.

Hannah Yevick, en MIT postdoc, är huvudförfattaren till studien, som visas idag i Utvecklingscell . Doktorand Pearson Miller är också författare till tidningen.

Ett skyddsnät

Under embryonal utveckling, vävnader ändrar sin form genom en process som kallas morfogenes. Ett viktigt sätt på vilket vävnader ändrar form är att vika sig, som tillåter platta ark av embryonala celler att bli rör och andra viktiga former för organ och andra kroppsdelar. Tidigare studier på fruktflugor har visat att även när några av dessa embryonala celler är skadade, ark kan fortfarande vikas till sina rätta former.

"Det här är en process som är ganska reproducerbar, och så vi ville veta vad som gör den så robust, säger Martin.

I den här studien, forskarna fokuserade på gastrulationsprocessen, under vilken embryot omorganiseras från en enskiktssfär till en mer komplex struktur med flera lager. Denna process, och andra morfogenetiska processer som liknar fruktflugsvävnadsveckning, förekommer även i mänskliga embryon. De embryonala cellerna som är involverade i gastrulation innehåller i sin cytoplasma proteiner som kallas myosin och aktin, som bildar kablar och ansluter vid korsningar mellan celler för att bilda ett nätverk över vävnaden. Martin och Yevick hade antagit att nätverket av cellanslutning kan spela en roll i robustheten av vävnadsveckningen, men tills nu, det fanns inget bra sätt att spåra nätverkets anslutningar.

För att uppnå det, Martins labb gick ihop med Dunkel, som studerar fysiken hos mjuka ytor och flytande materia, till exempel, rynkor och mönster av bakteriell strömning. För denna studie, Dunkel hade idén att tillämpa en matematisk procedur som kan identifiera topologiska egenskaper hos en tredimensionell struktur, analogt med åsar och dalar i ett landskap. Astronomer använder denna algoritm för att identifiera galaxer, och i detta fall, forskarna använde den för att spåra aktomyosinnätverken över och mellan cellerna i ett vävnadsark.

"När du har nätverket, du kan tillämpa standardmetoder från nätverksanalys – samma typ av analys som du skulle tillämpa på gator eller andra transportnätverk, eller blodcirkulationsnätverket, eller någon annan form av nätverk, säger Dunkel.

Bland annat, denna typ av analys kan avslöja nätverkets struktur och hur effektivt information flödar längs det. En viktig fråga är hur väl ett nätverk anpassar sig om en del av det skadas eller blockeras. MIT-teamet fann att actomyosin-nätverket innehåller en hel del redundans - det vill säga, de flesta av nätverkets "noder" är anslutna till många andra noder.

Denna inbyggda redundans är analog med ett bra kollektivtrafiksystem, där om en buss- eller tåglinje går ner, du kan fortfarande ta dig till din destination. Eftersom celler kan generera mekanisk spänning längs många olika vägar, de kan vikas på rätt sätt även om många av cellerna i nätverket är skadade.

"Om du och jag håller i ett enda rep, och sedan skär vi den på mitten, det skulle gå isär. Men om du har ett nät, och skär den på vissa ställen, den förblir fortfarande globalt ansluten och kan överföra krafter, så länge du inte skär allt, säger Dunkel.

Fällbar ram

Forskarna fann också att kopplingarna mellan celler företrädesvis organiserar sig för att löpa i samma riktning som fåran som bildas i de tidiga stadierna av vikning.

"Vi tror att det här är att skapa en ram runt vilken vävnaden kommer att anta sin form, " säger Martin. "Om du förhindrar riktningen av anslutningarna, then what happens is you can still get folding but it will fold along the wrong axis."

Although this study was done in fruit flies, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."