Jak defekty wpływają na kształty?

Na procesy biologiczne można patrzeć nie tylko z klasycznej – genetycznej czy biochemicznej – perspektywy. Analizują to prof. Łucja Kowalewska z Wydziału Biologii UW i prof. John W. C. Dunlop z Uniwersytetu w Salzburgu – autorzy artykułu, który 16 kwietnia ukazał się na łamach „Science”. Badacze kierują międzynarodową siecią European Curvature and Biology Network, integrującą naukowców reprezentujących różne dyscypliny i zainteresowanych tematem krzywizny w przyrodzie.

To, w jaki sposób wyglądają tkanki żywych organizmów, w klasycznym ujęciu zależy od ich „programu” genetycznego oraz od sił mechanicznych działających na komórki – ich wzrostu, podziałów czy wzajemnych oddziaływań. Dr Paul Guillamat z Instytutu Bioinżynierii Katalonii (IBEC) wraz z zespołem postanowił sprawdzić, czy proces kształtowania się tkanek można nie tylko obserwować, ale też kontrolować. Naukowcy przeprowadzili eksperyment polegający na wytworzeniu na miękkim podłożu precyzyjnego wzoru z fibronektyny – białka macierzy zewnątrzkomórkowej – z celowo rozmieszczonymi defektami topologicznymi. Hodowane na takim podłożu komórki fibroblastów układały się zgodnie z wzorem, owijając się wokół miejsc defektów i tworząc uporządkowaną warstwę zachowującą się jak ciekły kryształ.

Okazuje się, iż żywe tkanki można zaprogramować w taki sposób, by przyjmowały określone trójwymiarowe kształty. W zależności od liczby i rozmieszczenia defektów płaska warstwa komórek po odklejeniu od podłoża samoczynnie wygina się w przewidywalne formy, takie jak miseczki czy kształty siodłowe. Wyniki tych badań mogą pomóc m.in. w lepszym zrozumieniu podstaw tworzenia się skomplikowanych kształtów w przyrodzie oraz w rozwoju medycyny regeneracyjnej i projektowaniu „inteligentnych materiałów” przyszłości, które zmieniają kształt w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne.

– Nie tylko geny czy biochemia mają wpływ na procesy biologiczne. Równie ważna jest np. geometria i fizyka – mówi prof. Łucja Kowalewska z Wydziału Biologii UW, która wraz z prof. Johnem W. C. Dunlopem z Uniwersytetu w Salzburgu opublikowała swoją opinię na temat badań opisanych w pracy pt. „Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces”. Zarówno artykuł, jak i opinia ukazały się 16 kwietnia na łamach „Science”.

– Defekty topologiczne celowo wprowadzone do białkowego podłoża nie tylko zmieniają kształt struktury, ale również stają się swego rodzaju „sterownikami” dyktującymi sposób zachowywania się komórek rosnących na tej powierzchni. Często wystarczy zmienić warunki fizyczne, np. wprowadzić lokalną krzywiznę, by wpłynąć na rozwój danej struktury. Pokazuje to, iż obok genów istotną rolę w kształtowaniu organizmów odgrywają również czynniki fizyczne i geometryczne – tłumaczy prof. Kowalewska.

Jak dodaje badaczka, jej napisany wspólnie z prof. Dunlopem artykuł typu perspective powstał w związku z kierowniczą rolą obojga autorów w European Curvature and Biology Network. To międzynarodowa sieć badawcza (finansowana w tej chwili w ramach akcji COST EuroCurvoBioNet), która integruje naukowców reprezentujących różne dyscypliny, zainteresowanych tematem kształtów i krzywizny w przyrodzie. W zespole pracują razem biolodzy, fizycy, matematycy i inżynierowie, którzy wspólnie badają, skąd wynikają określone kształty organizmów i jak wpływają one na rozwój tkanek i narządów.

Czas i biologia

O badaniach prof. Łucji Kowalewskiej – laureatki Nagrody Narodowego Centrum Nauki 2025 – można przeczytać na łamach pisma uczelni „UW”: