Wenn eine Eizelle fast jeder sich sexuell reproduzierenden Art befruchtet wird, löst sie eine Reihe von Wellen aus, die sich über die Oberfläche des Eies kräuseln. Diese Wellen werden von Milliarden aktivierter Proteine ​​erzeugt, die wie Ströme winziger Wächter durch die Membran des Eies strömen und dem Ei signalisieren, sich zu teilen, zu falten und wieder zu teilen, um die ersten zellulären Samen eines Organismus zu bilden.

Jetzt haben MIT-Wissenschaftler das Muster dieser Wellen, die auf der Oberfläche von Seesterneiern erzeugt werden, detailliert untersucht. Diese Eier sind groß und daher leicht zu beobachten, und Wissenschaftler betrachten Seesterneier als repräsentativ für die Eier vieler anderer Tierarten.

In jedes Ei führte das Team ein Protein ein, um den Beginn der Befruchtung nachzuahmen, und zeichnete das Muster der Wellen auf, die sich als Reaktion auf ihre Oberflächen bewegten. Sie beobachteten, dass jede Welle in einem Spiralmuster auftrat und dass mehrere Spiralen gleichzeitig über die Oberfläche eines Eies wirbelten. Einige Spiralen tauchten spontan auf und wirbelten in entgegengesetzte Richtungen, während andere frontal kollidierten und sofort verschwanden.

Die Forscher stellten fest, dass das Verhalten dieser wirbelnden Wellen den Wellen ähnelt, die in anderen, scheinbar nicht verwandten Systemen erzeugt werden, wie z. B. den Wirbeln in Quantenflüssigkeiten, den Zirkulationen in der Atmosphäre und den Ozeanen und den elektrischen Signalen, die sich durch das Herz und die Erde ausbreiten Gehirn.

„Über die Dynamik dieser Oberflächenwellen in Eiern war nicht viel bekannt, und nachdem wir mit der Analyse und Modellierung dieser Wellen begonnen hatten, stellten wir fest, dass sich in all diesen anderen Systemen dieselben Muster zeigen“, sagt die Physikerin Nikta Fakhri, Thomas D. und Virginia W. Cabot Assistenzprofessor am MIT. "Es ist eine Manifestation dieses sehr universellen Wellenmusters."

"Das eröffnet eine völlig neue Perspektive “, fügt Jörn Dunkel, Associate Professor für Mathematik am MIT, hinzu. "Man kann sich viele Techniken ausleihen, die Menschen entwickelt haben, um ähnliche Muster in anderen Systemen zu untersuchen und etwas über Biologie zu lernen."

Fakhri und Dunkel haben ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik. Ihre Co-Autoren sind Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller und Melis Tekant vom MIT.

Das Zentrum finden

Frühere Studien haben gezeigt, dass die Befruchtung eines Eies sofort Rho-GTP aktiviert, ein Protein im Ei, das normalerweise in einem inaktiven Zustand im Zytoplasma der Zelle herumschwimmt. Einmal aktiviert, steigen Milliarden des Proteins aus dem Morast des Zytoplasmas auf, um sich an die Membran des Eies zu binden und sich in Wellen an der Wand entlang zu schlängeln.

„Stellen Sie sich vor, Sie haben ein sehr schmutziges Aquarium und wenn ein Fisch in der Nähe des Glases schwimmt, können Sie es sehen“, erklärt Dunkel. "In ähnlicher Weise befinden sich die Proteine ​​irgendwo in der Zelle, und wenn sie aktiviert werden, heften sie sich an die Membran an und man beginnt zu sehen, wie sie sich bewegen."

Laut Fakhri dienen die Wellen von Proteinen, die sich über die Eimembran bewegen, teilweise dazu, die Zellteilung um den Zellkern herum zu organisieren.

„Das Ei ist eine riesige Zelle, und diese Proteine ​​müssen zusammenarbeiten, um ihr Zentrum zu finden, damit die Zelle weiß, wo sie sich teilen und um ein Vielfaches falten muss, um einen Organismus zu bilden“, sagt Fakhri. "Ohne diese Proteine, die Wellen schlagen, würde es keine Zellteilung geben."

MIT-Forscher beobachten Wellen über ein neu befruchtetes Ei, die anderen Systemen ähnlich sind, von Ozean- und Atmosphärenzirkulationen bis hin zu Quantenflüssigkeiten. Mit freundlicher Genehmigung der Forscher.

In ihrer Studie konzentrierte sich das Team auf die aktive Form von Rho-GTP und das Wellenmuster, das auf der Oberfläche eines Eies erzeugt wurde, als sie die Proteinkonzentration veränderten.

Für ihre Experimente erhielten sie durch einen minimal invasiven chirurgischen Eingriff etwa 10 Eier aus den Eierstöcken von Seesternen. Sie führten ein Hormon ein, um die Reifung zu stimulieren, und injizierten fluoreszierende Marker, um sich an alle aktiven Formen von Rho-GTP zu binden, die als Reaktion aufstiegen. Dann beobachteten sie jedes Ei durch ein konfokales Mikroskop und beobachteten, wie Milliarden der Proteine ​​als Reaktion auf unterschiedliche Konzentrationen des künstlichen hormonellen Proteins aktiviert und über die Oberfläche des Eies gewellt wurden.

„Auf diese Weise haben wir ein Kaleidoskop mit verschiedenen Mustern erstellt und die daraus resultierende Dynamik untersucht“, sagt Fakhri.

Hurricane Track

Die Forscher stellten zunächst Schwarz-Weiß-Videos von jedem Ei zusammen und zeigten die hellen Wellen, die sich über seine Oberfläche bewegten. Je heller eine Region in einer Welle ist, desto höher ist die Konzentration von Rho-GTP in dieser bestimmten Region. Für jedes Video verglichen sie die Helligkeit oder Konzentration des Proteins von Pixel zu Pixel und verwendeten diese Vergleiche, um eine Animation derselben Wellenmuster zu erzeugen.

In ihren Videos stellte das Team fest, dass Wellen als winzige, hurrikanartige Spiralen nach außen zu schwingen schienen. Die Forscher verfolgten den Ursprung jeder Welle bis zum Kern jeder Spirale, die sie als „topologischen Defekt“ bezeichnen. Aus Neugier verfolgten sie die Bewegung dieser Mängel selbst. Sie führten statistische Analysen durch, um festzustellen, wie schnell sich bestimmte Defekte über die Oberfläche eines Eies bewegten und wie oft und in welchen Konfigurationen die Spiralen auftauchten, kollidierten und verschwanden.

In einer überraschenden Wendung stellten sie fest, dass ihre statistischen Ergebnisse und das Verhalten von Wellen in der Oberfläche eines Eies das gleiche waren wie das Verhalten von Wellen in anderen größeren und scheinbar nicht verwandten Systemen.

"Wenn man sich die Statistik dieser Defekte ansieht, ist dies im Wesentlichen dasselbe wie Wirbel in einer Flüssigkeit oder Wellen im Gehirn oder Systeme in größerem Maßstab", sagt Dunkel. "Es ist das gleiche universelle Phänomen, nur auf das Niveau einer Zelle verkleinert."

Die Forscher sind besonders an der Ähnlichkeit der Wellen mit Ideen im Quantencomputer interessiert. So wie das Wellenmuster in einem Ei bestimmte Signale überträgt, ist in diesem Fall der Zellteilung das Quantencomputing ein Feld, das darauf abzielt, Atome in einer Flüssigkeit in präzisen Mustern zu manipulieren, um Informationen zu übersetzen und Berechnungen durchzuführen.

"Vielleicht können wir jetzt Ideen aus Quantenflüssigkeiten ausleihen, um Minicomputer aus biologischen Zellen zu bauen", sagt Fakhri. "Wir erwarten einige Unterschiede, aber wir werden versuchen, [biologische Signalwellen] als Berechnungswerkzeug weiter zu untersuchen."

Diese Forschung wurde teilweise von der James S. McDonnell Foundation, der Alfred P. Sloan Foundation und der National Science Foundation unterstützt.