När en äggcell av nästan alla sexuellt reproducerande arter befruktas, det sätter igång en rad vågor som krusar över äggets yta. Dessa vågor produceras av miljarder aktiverade proteiner som strömmar genom äggets membran som strömmar av små grävande vaktposter, signalera ägget att börja dela sig, hopfällbar, och dela igen, att bilda de första cellfröna av en organism.

Nu har MIT -forskare tagit en detaljerad titt på mönstret för dessa vågor, produceras på ytan av sjöstjärnägg. Dessa ägg är stora och därför lätta att observera, och forskare anser sjöstjärnsägg vara representativa för ägget från många andra djurarter.

I varje ägg, laget introducerade ett protein för att efterlikna början av befruktning, och registrerade mönstret av vågor som krusade över deras ytor som svar. De observerade att varje våg uppstod i ett spiralmönster, och att flera spiraler virvlade över ett äggs yta åt gången. Några spiraler dök upp spontant och virvlade iväg i motsatta riktningar, medan andra kolliderade direkt och försvann direkt.

Beteendet hos dessa virvlande vågor, forskarna insåg, liknar vågorna som genereras i andra, till synes orelaterade system, såsom virvlar i kvantvätskor, cirkulationerna i atmosfären och haven, och de elektriska signalerna som sprids genom hjärtat och hjärnan.

"Inte mycket var känt om dynamiken i dessa ytvågor i ägg, och efter att vi började analysera och modellera dessa vågor, vi fann att samma mönster dyker upp i alla dessa andra system, säger fysikern Nikta Fakhri, Thomas D. och Virginia W. Cabot biträdande professor vid MIT. "Det är en manifestation av detta mycket universella vågmönster."

"Det öppnar ett helt nytt perspektiv, "tillägger Jörn Dunkel, docent i matematik vid MIT. "Du kan låna många tekniker som människor har utvecklat för att studera liknande mönster i andra system, att lära sig något om biologi. "

Fakhri och Dunkel har publicerat sina resultat idag i tidningen Naturfysik . Deras medförfattare är Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, och Melis Tekant från MIT.

Att hitta sitt centrum

Tidigare studier har visat att befruktning av ett ägg omedelbart aktiverar Rho-GTP, ett protein i ägget som normalt flyter runt i cellens cytoplasma i inaktivt tillstånd. Efter aktivering, miljarder av proteinet stiger upp ur cytoplasmas morass för att fästa vid äggets membran, smyger längs väggen i vågor.

"Tänk om du har ett mycket smutsigt akvarium, och när en fisk simmar nära glaset, du kan se det, "Dunkel förklarar." På ett liknande sätt, proteinerna finns någonstans inuti cellen, och när de aktiveras, de fäster vid membranet, och du börjar se dem röra sig. "

Fakhri säger att vågorna av proteiner som rör sig över äggets membran tjänar, till viss del, att organisera celldelning runt cellens kärna.

"Ägget är en enorm cell, och dessa proteiner måste arbeta tillsammans för att hitta sitt centrum, så att cellen vet var den ska dela och vika, många gånger om, att bilda en organism, "Säger Fakhri." Utan att dessa proteiner gör vågor, det skulle inte finnas någon celldelning. "

I deras studie, laget fokuserade på den aktiva formen av Rho-GTP och mönstret av vågor som produceras på ett äggs yta när de ändrade proteinets koncentration.

För deras experiment, de fick cirka 10 ägg från sjöstjärnans äggstockar genom ett minimalt invasivt kirurgiskt ingrepp. De introducerade ett hormon för att stimulera mognad, och injicerade också fluorescerande markörer för att fästa vid alla aktiva former av Rho-GTP som steg som svar. De observerade sedan varje ägg genom ett konfokalt mikroskop och såg hur miljarder av proteinerna aktiverades och krusade över äggets yta som svar på varierande koncentrationer av det artificiella hormonproteinet.

"På det här sättet, vi skapade ett kalejdoskop med olika mönster och tittade på deras resulterande dynamik, "Säger Fakhri.

Orkanbanan

Forskarna monterade först svartvita videor av varje ägg, visar de ljusa vågorna som färdades över dess yta. Ju ljusare en region i en våg, desto högre koncentration av Rho-GTP i just den regionen. För varje video, de jämförde ljusstyrkan, eller koncentration av protein från pixel till pixel, och använde dessa jämförelser för att generera en animering av samma vågmönster.

Från deras videor, laget observerade att vågor verkade svänga utåt som små, orkanliknande spiraler. Forskarna spårade ursprunget för varje våg till kärnan i varje spiral, som de kallar en "topologisk defekt". Av nyfikenhet, de spårade rörelsen av dessa defekter själva. De gjorde en statistisk analys för att avgöra hur snabbt vissa defekter rörde sig över ett äggs yta, och hur ofta, och i vilka konfigurationer spiralerna dök upp, kolliderade, och försvann.

I en överraskande twist, de fann att deras statistiska resultat, och beteendet hos vågor i ett äggs yta, var samma som beteendet hos vågor i andra större och till synes orelaterade system.

"När du tittar på statistiken över dessa defekter, det är i princip detsamma som virvlar i en vätska, eller vågor i hjärnan, eller system i större skala, "Säger Dunkel." Det är samma universella fenomen, bara skalat ner till cellens nivå. "

Forskarna är särskilt intresserade av vågornas likhet med idéer inom kvantberäkning. Precis som vågmönstret i ett ägg förmedlar specifika signaler, i detta fall av celldelning, kvantberäkning är ett fält som syftar till att manipulera atomer i en vätska, i exakta mönster, för att översätta information och utföra beräkningar.

"Nu kanske vi kan låna idéer från kvantvätskor, att bygga minidatorer från biologiska celler, "Säger Fakhri." Vi förväntar oss vissa skillnader, men vi kommer att försöka utforska [biologiska signalvågor] vidare som ett verktyg för beräkning. "