Unerwartete mathematische Fortschritte verbinden die Entwicklung von Hühnern, Fröschen und Fischen

Wie entwickelt sich das Leben? Genauer gesagt, wie organisieren sich menschliche Zellen, um Haut, Muskeln, Knochen, ein Gehirn, einen Finger oder eine Wirbelsäule zu formen? Obwohl die Antworten teilweise unbekannt bleiben, bietet das Studium der Gastrulation – der zweiten Entwicklungsphase nach der Segmentation – einen vielversprechenden Forschungsweg. In dieser entscheidenden Phase wechseln die embryonalen Zellen von einer eindimensionalen zu einer mehrdimensionalen Struktur mit einer vorherrschenden Körperachse. Beim Menschen findet dieser Prozess etwa 14 Tage nach der Empfängnis statt.


Da die Untersuchung menschlicher Embryonen zu diesem Zeitpunkt unmöglich ist, haben Forscher der Universität von Kalifornien in San Diego, der Universität Dundee im Vereinigten Königreich und der Harvard Universität die Embryos von Hühnern untersucht, die viele Ähnlichkeiten mit menschlichen Embryonen in diesem Entwicklungsstadium aufweisen. Mattia Serra, Assistenzprofessor für Physik an der UC San Diego und Theoretiker, der an den entstehenden Mustern in komplexen biophysikalischen Systemen interessiert ist, leitete diese Forschung.

Serras Team entwickelte ein mathematisches Modell, das auf Daten basierte, die von Biologen der Universität Dundee bereitgestellt wurden. Zum ersten Mal gelang es diesem Modell, die Flussmuster der Gastrulation – die Bewegung von Zehntausenden von Zellen in einem gesamten Hühnerembryo – zu reproduzieren, die unter dem Mikroskop beobachtet wurden. Danach wurde das Modell "gestört", das heißt, die Anfangsbedingungen oder die vorhandenen Parameter wurden geändert.

Die Ergebnisse waren überraschend: Das Modell erzeugte Zellflüsse, die bei Hühnern nicht natürlich beobachtet werden, aber bei zwei anderen Wirbeltierarten vorhanden sind: Fröschen und Fischen. Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht einfach eine mathematische Laune waren, haben die Biologiekollegen die genauen Störungen des Modells im Labor am Hühnerembryo reproduziert. Auffallend war, dass auch diese manipulierten Hühnerembryos Gastrulationsflüsse zeigten, die natürlicherweise bei Fischen und Fröschen beobachtet wurden.


Veröffentlicht in Science Advances, deuten diese Arbeiten darauf hin, dass gewisse physikalische Prinzipien der multizellulären Selbstorganisation sich ähnlich über die Spezies der Wirbeltiere entwickelt haben könnten. Laut Serra, obwohl Fische, Frösche und Hühner in unterschiedlichen Umgebungen leben, könnten die Prinzipien der Selbstorganisation zu Beginn der Gastrulation gemeinsam für diese drei Arten sein.

Diese Forschung könnte wichtige Auswirkungen auf die Gestaltung von Biomaterialien und die regenerative Medizin haben, mit der Hoffnung, die menschliche Gesundheit und Lebensdauer zu verbessern. Serra und seine Mitarbeiter untersuchen nun weitere Mechanismen, die zu Mustern der Selbstorganisation auf Embryonalebene führen.