På "Game of Thrones, "en treögd korp rymmer det förflutnas hemligheter, nutid och framtid i ett stort fantasirike. Men för verkliga biologer, en "treögad skalbagge" kan ge en verklig inblick i framtiden för att studera evolutionär utveckling.

Med hjälp av ett enkelt genetiskt verktyg, IU -forskare har avsiktligt odlat ett fullt fungerande extra öga i mitten av pannan på den vanliga skalbaggen. Att reda ut de biologiska mekanismerna bakom denna händelse kan hjälpa forskare att förstå hur evolutionen bygger på redan existerande utvecklings- och genetiska "byggstenar" för att skapa nya komplexa drag, eller "gamla" drag på nya platser.

Studiens resultat visas i journal of the Förfaranden från National Academy of Sciences . Arbetet ger också djupare insikter i ett tidigare experiment som av misstag gav ett extra öga som en del av en studie för att förstå hur insekthuvudet utvecklas.

"Utvecklingsbiologi är vackert komplex delvis eftersom det inte finns någon enda gen för ett öga, en hjärna, en fjärilsvinga eller en sköldpadda, "sa Armin P. Moczek, en professor vid Institutionen för biologi vid Bloomington College of Arts and Sciences. "Istället, tusentals individuella gener och dussintals utvecklingsprocesser går samman för att möjliggöra bildandet av var och en av dessa egenskaper.

"Vi har också lärt oss att utvecklingen av ett nytt fysiskt drag är ungefär som att bygga en ny struktur ur Legos, genom att återanvända och rekombinera "gamla" gener och utvecklingsprocesser inom nya sammanhang. "

Som en konsekvens, utvecklingen av nya funktioner kräver ofta många färre genetiska förändringar än biologer ursprungligen trodde.

Men till skillnad från att ordna om och kombinera leksaksplaststenar till en ny struktur, Moczek sa att det är oklart vilka biologiska mekanismer som styr konstruktionen av nya fysiska egenskaper under vissa omständigheter men inte andra.

"Du kan göra nya saker om och om igen eller på nya platser med samma gamla uppsättning" tegelstenar, "sa han." Men i Legos, vi känner till monteringsreglerna:vilka bitar går ihop och vilka saker inte. Inom biologin, vi kämpar fortfarande för att förstå respektive motsvarigheter. "

Ett av de sätt som forskare har försökt få en tydligare bild av denna process är genom att locka tillväxten av "ektopiska" organ - eller organ som bildas på fel del av kroppen. Tidigt arbete på fältet har fokuserat på bildandet av fruktflugaögon på fel plats, som på vingen eller benet. Dock, dessa experiment krävde aktivering av större reglerande gener på den nya platsen, en teknik som är begränsad till endast ett fåtal studieorganismer. De resulterande "ögonen" var heller aldrig fullt fungerande.

Däremot, den nya IU-ledda studien rapporterar om bildandet av ett extra funktionellt öga-tekniskt sett en "fusion" av två uppsättningar extra ögon - efter att en enda gen har slagit ner, en teknik som är allmänt tillgänglig för forskare i de flesta organismer. Den oväntade bildningen av ett komplex, funktionellt öga på en ny plats i processen är "ett anmärkningsvärt exempel på utvecklingssystemens förmåga att kanalisera massiva störningar mot ordnade och funktionella resultat, "Sa Moczek.

För att skapa ett fullt fungerande öga i mitten av skalbagghuvudet, Moczeks team inaktiverade en enda gen som kallas ortodentikel, eller odt, som deras forskning tidigare har visat sig spela en roll för att instruera huvudets bildning under utveckling.

"Denna studie stör experimentellt funktionen hos en singel, huvudgen, "Moczek sa." Och, som svar på denna störning, resten av huvudutvecklingen omorganiserar sig för att producera ett mycket komplext drag på en ny plats:ett sammansatt öga i mitten av huvudet.

"Dessutom, den jävla grejen fungerar faktiskt! "

För att bekräfta att ögat var ett riktigt extra öga, IU -teamet genomförde flera tester för att bevisa att strukturen hade samma celltyper, uttryckte samma gener, växte rätt nervförbindelser och framkallade samma beteendemässiga svar som ett normalt öga. Det som gör resultaten så spännande - bortom ögats Frankenstein -nyhet - är den relativt enkla genetiska tekniken som används för att uppnå genknockdown, sa IU:s postdoktor Eduardo E.Zattara, som är huvudförfattare till studien.

Moczek sa att resultaten också går utöver denna applikation för att hjälpa till att ta itu med grundläggande frågor i utvecklingen, evolution och medicin. Till exempel, förstå hur komplexa organ organiserar sin tillväxt och integration i kroppen är centrala utmaningar medicinsk vetenskap måste övervinna för att utveckla artificiella organ för forskning och transplantation.

"Användningen av ektopiska ögon är ett mycket tillgängligt paradigm för att studera allt detta, över många typer av organismer, "Zattara sa." Vi anser att den här studien verkligen öppnar dörren till nya vägar för utredning inom flera discipliner. "