Эмбрион затягивает сам себя белковым шнурком — так рождается мозг. Рассказываем про гениальный трюк природы

Нервная трубка формируется у эмбриона в самом начале беременности и позже дает начало ключевым структурам нервной системы. Иногда процесс идет со сбоем: примерно в одном случае на тысячу беременностей трубка не закрывается как положено. Именно такие нарушения лежат в основе тяжелых пороков развития, включая расщепление позвоночника. Физики из Технологического института Джорджии вместе с коллегами из Университетского колледжа Лондона предложили более точное объяснение того, почему в норме трубка все же смыкается и какие силы за этим стоят.

Команда изучала раннее развитие не только с точки зрения биологии, но и с позиции механики. Исследователи из UCL работали с эмбрионами мышей, чье развитие в этом отношении близко к человеческому, а группа из Джорджии строила на основе этих данных компьютерные модели. Такой подход помог описать сам физический механизм закрытия нервной трубки в части будущего мозга.

Главную роль, как показала работа, играет структура, которую авторы называют purse string. По смыслу это стягивающее кольцо, похожее на шнурок, который затягивает отверстие в мешке. Основа такой конструкции – актин, один из главных белков клеточного каркаса. Актин помогает клеткам сохранять форму и жесткость. Во время закрытия нервной трубки его нити выстраиваются кольцом по краю отверстия, а затем в дело вступают молекулярные моторы – белки, которые создают внутри клеток механическое усилие. Когда моторы тянут за актин, в кольце нарастает натяжение, и оно постепенно стягивает края трубки друг к другу.

Правда дело не сводится к одному лишь сокращению этого кольца. По мере того как актиновая структура затягивается, клетки начинают вытягиваться и удлиняться. Из-за этого они выстраиваются более согласованно и движутся не хаотично, а почти синхронно. Исследователи сравнивают такую картину со стаей рыб, которая меняет направление как единое целое. Благодаря согласованности клетки перемещаются быстрее и эффективнее, а натяжение еще сильнее возрастает.

Дальше включается петля положительной обратной связи. Чем сильнее кольцо стягивает ткани, тем заметнее меняется форма клеток и тем лучше они координируют движение. А чем согласованнее их работа, тем проще системе наращивать механическое усилие и доводить процесс до конца. Компьютерная модель как раз и показала, что без такого самоподдерживающегося механизма надежное формирование нервной трубки было бы куда менее вероятным.

Для эмбрионального развития это важный результат не только на уровне общей картинки, но и как основа для дальнейших исследований. Если теперь понятнее, какие силы и в какой последовательности должны сработать, ученые смогут точнее искать точки сбоя. Модель в перспективе может помочь разобраться, почему нервная трубка иногда не закрывается вовсе, хотя все выглядит как обычный ранний этап развития.

Здесь особенно хорошо сработал междисциплинарный подход. Биологические изображения высокого разрешения дали материал о реальном поведении клеток, а теоретическая физика и вычислительное моделирование позволили связать отдельные наблюдения в единую механическую схему. Для таких процессов это особенно важно: далеко не все можно напрямую увидеть в живой ткани, а часть экспериментов в биологических системах просто невозможно провести в чистом виде.

Исследователи считают, что физические модели такого типа помогут разбирать и другие этапы развития человека, где все решают усилия, движение клеток и точный момент включения разных процессов. Иначе говоря, эмбриология здесь получает не просто еще одно описание клеточного поведения, а инструмент, который позволяет количественно проверять, как форма, натяжение и движение тканей влияют на будущую анатомию.