En ny tvärvetenskaplig studie ledd av molekylärbiologen Florian Raible från Max Perutz Labs vid universitetet i Wien ger spännande insikter om borsten på den marina annelidmasken Platynereis dumerilii. Specialiserade celler, kallade chaetoblaster, kontrollerar bildandet av borsten. Deras funktionssätt är förvånansvärt likt det för en teknisk 3D-skrivare.
Projektet är ett samarbete med forskare från Helsingfors universitet, Wiens tekniska universitet och Masaryk universitet i Brno. Studien publiceras i Nature Communications .
Kitin är det primära byggnadsmaterialet både för exoskelettet hos insekter och för borsten hos borstmaskar som den marina annelidmasken Platynereis dumerilii. Borstmaskarna har dock ett något mjukare kitin – beta kitin – vilket är särskilt intressant för biomedicinska tillämpningar. Borsten gör att maskarna kan röra sig i vattnet.
Hur exakt kitinet formas till distinkta borst har hittills förblivit gåtfullt. Den nya studien ger nu spännande inblick i denna speciella biogenes.
Florian Raible förklarar, "Processen börjar med spetsen av borsten, följt av mittsektionen och slutligen basen av borsten. De färdiga delarna trycks längre och längre ut ur kroppen. I denna utvecklingsprocess kommer de viktiga funktionella enheterna skapas en efter en, bit för bit, vilket liknar 3D-utskrift."
En bättre förståelse för processer som dessa har också potential för utveckling av framtida medicinska produkter eller för produktion av naturligt nedbrytbara material. Beta-kitin från ryggskalet hos bläckfisk används till exempel idag som råvara för framställning av särskilt väl tolererade sårförband. "Kanske i framtiden kommer det också att vara möjligt att använda annelidceller för att producera detta material", säger Raible.
Den exakta biologiska bakgrunden till detta:Chaetoblaster spelar en central roll i denna process. Chaetoblaster är specialiserade celler med långa ytstrukturer, kallade mikrovilli. Dessa mikrovilli har ett specifikt enzym som forskningen kan visa är ansvarigt för bildandet av kitin, materialet från vilket borsten i slutändan är gjorda. Forskarnas resultat visar på en dynamisk cellyta som kännetecknas av geometriskt arrangerade mikrovilli.
De enskilda mikrovilli har en liknande funktion som munstyckena på en 3D-skrivare. Florian Raible förklarar, "Vår analys tyder på att kitinet produceras av de individuella mikrovilli i chaetoblastcellen. Den exakta förändringen i antalet och formen av dessa mikrovilli över tiden är därför nyckeln till att forma de individuella borstens geometriska strukturer, t.ex. som individuella tänder på borstspetsen, som är exakta ner till submikrometerområdet."
Borsten utvecklas vanligtvis inom bara två dagar och kan ha olika former; beroende på maskens utvecklingsstadium är de kortare eller längre, spetsigare eller plattare.
Förutom det lokala samarbetet med Wiens tekniska universitet och bildtekniker från universitetet i Brno, visade sig samarbetet med Jokitalo-laboratoriet vid Helsingfors universitet vara en stor fördel för forskarna vid Wiens universitet.
Med hjälp av sin expertis inom seriell block-face scanning elektronmikroskopi (SBF-SEM), undersökte forskarna arrangemanget av mikrovilli i borstbildningsprocessen och föreslog en 3D-modell för syntes av borstbildning.
Förste författare Kyojiro Ikeda från universitetet i Wien förklarar, "Standard elektrontomografi är mycket arbetskrävande, eftersom skärningen av proverna och deras undersökning i elektronmikroskopet måste göras manuellt. Med detta tillvägagångssätt kan vi dock på ett tillförlitligt sätt automatisera analys av tusentals lager."
Raible-gruppen arbetar för närvarande med att förbättra upplösningen av observationen för att avslöja ännu mer detaljer om borstens biogenes.
Mer information: Kyojiro N. Ikeda et al, Dynamic microvilli skulpterar borst i nanometrisk skala, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48044-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av universitetet i Wien
