Forscher haben eine neue Methode zur Manipulation von Zellbewegungen in Embryonen vorgestellt

Wenn Embryonen von der Empfängnis bis zur Geburt heranwachsen, vermehren sich die Zellen schnell und bewegen sich in einer hoch organisierten Weise, um das Skelett, die Organe und andere wichtige Systeme zu bilden. Aber woher wissen die Zellen, dass sie sich zum richtigen Zeitpunkt in genau die richtige Richtung bewegen müssen, um einen voll ausgebildeten, komplexen lebenden Organismus zu schaffen?

Diese Frage stellt die Wissenschaftler vor große Herausforderungen. Um die Antwort zu finden, haben Mattia Serra, Assistenzprofessor für Physik an der University of California San Diego, und Kollegen am Politecnico di Milano (Italien) eine neue Methode entwickelt, mit der die Bewegung embryonaler Zellen mithilfe von Kurzzeit-Attraktoren manipuliert werden kann – ein Konzept, das Serra zuvor für Such- und Rettungsaktionen auf See entwickelt und übernommen hatte. Ihre Arbeit erschien in Physical Review Letters.

Wie sich Zellbewegungen innerhalb des Embryos vollziehen

Kurzzeit-Attraktoren sind Strukturen, die die Dynamik und Bewegung eines Systems für eine begrenzte Zeit beeinflussen, aber nicht das langfristige Verhalten bestimmen. Durch Modulation der räumlichen Verteilung von Myosin – jenem molekularen Motor, der die Zellbewegung antreibt – konnten die Forscher die Positionierung dieser Attraktoren steuern und die Zellansammlung auf bestimmte Bereiche des Embryos lenken. Während Myosin die Zellbewegung innerhalb des Embryos antreibt, gibt es auch externe Kräfte oder Störungen, die auf den Embryo drücken und an ihm ziehen. Diese Störungen werden dem Embryo aufgezwungen und nicht von ihm kontrolliert.

Dies ist ein heikler Tanz. Der Embryo muss das Myosin optimal verteilen, damit sich die Zellen in Richtung der für die Entwicklung erforderlichen Attraktoren bewegen und gleichzeitig mit den aufgezwungenen Störungen fertig werden. Mithilfe von Theorie und Simulationen konnten die Forscher eine optimale Kontrollstrategie entwickeln, um Kurzzeit-Attraktoren in Strömungen zu erzeugen und zu steuern, die denen in der Embryonalentwicklung ähneln. Um ihre Theorie zu bestätigen, manipulierten Mitarbeiter der Weijer-Gruppe an der Universität Dundee (Schottland) die Myosin-Verteilung eines Küken-Embryos. Normalerweise entwickelt der Embryo einen Kurzzeit-Attraktor in Form einer Linie, an der sich die Hauptkörperachse bildet.

Serras Vorhersagen legten nahe, dass mit einer bestimmten Verteilung von Myosin ein ringförmiger Kurzzeit-Attraktor entstehen könnte. Die Gruppe Weijer konnte die vorgeschlagene Myosinverteilung in einem lebenden Embryo umsetzen und entwickelte einen kreisförmigen Attraktor anstelle eines linearen. Diese neue Methode zur Steuerung von Zellflüssen kann bei der Entwicklung von synthetischen Organen und Organoiden eingesetzt werden und könnte bei Anwendungen in der regenerativen Medizin helfen.