The New Shapes In Town:Τι είναι τα Scutoids;

Τα Scutoids είναι ένα νέο σχήμα που ανακαλύφθηκε το 2018. Βρέθηκαν σε επιθηλιακά κύτταρα και συμμετέχουν στην αποτελεσματική συσσώρευση των κυττάρων όταν είναι καμπυλωμένα,

«Είναι τετράγωνο; Είναι εξάγωνο; Είναι πρίσμα; Όχι, είναι σκουτοειδές!»

Τα Scutoids είναι τα νέα σχήματα στο μπλοκ. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 27 Ιουλίου 2018 στο Nature, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης στην Ισπανία και το Πανεπιστήμιο Lehigh στις ΗΠΑ παρουσίασαν την ανακάλυψή τους για αυτό το νέο γεωμετρικό σχήμα που λαμβάνεται από επιθηλιακά κύτταρα.

Τι είναι το scutoid;

Είναι μια οικογένεια σχημάτων που μοιάζουν με διασταύρωση κυλίνδρου και πρίσματος, ίσως μια οικογένεια που ένας θυμωμένος νίντζα ​​έκοψε σε μια από τις γωνίες. Αυτό σημαίνει ότι μια από τις όψεις του (πάνω ή κάτω) θα έχει μια επιπλέον πλευρά. Ο πιο τεχνικός ορισμός των σκουτοειδών είναι ο εξής:«Τα σκουτοειδείς χαρακτηρίζονται από το ότι έχουν τουλάχιστον μια κορυφή σε διαφορετικό επίπεδο προς τις δύο βάσεις και παρουσιάζουν καμπύλες επιφάνειες», σύμφωνα με το έγγραφο Nature του 2018.

Αυτό το νέο σχήμα μοιάζει με το σκούτερ στο θώρακα των σκαθαριών στα Cetoniidae υποοικογένεια, έτσι οι ερευνητές ονόμασαν το νέο σχήμα scutoid .

Σκουτοειδές που μοιάζει με το οφθαλμό στον θώρακα μερικών σκαθαριών (Προστασία φωτογραφίας :Pedro Gómez-Gálvez/Wikimedia Commons)

Τα σκοτοειδή ανακαλύφθηκαν όταν η ομάδα έθεσε την ερώτηση:«Πώς αλλάζει το σχήμα ενός κυττάρου, σε αυτή την περίπτωση ενός επιθηλιακού κυττάρου, όταν καμπυλώνεται;» Η καμπυλότητα, η κάμψη, η αναδίπλωση και η συστροφή είναι όλα χαρακτηριστικά που συνθέτουν τη ζωή.

Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, ο μετασχηματισμός ενός μονοκύτταρου ζυγώτη σε ένα νεογέννητο με ρυτίδες που θρηνεί, απαιτεί κύτταρα να σχηματίζουν τις απαιτούμενες δομές. Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα Scutoids έκαναν το παιχνίδι με κυψελοειδές Twister λιγότερο δαπανηρό, όσον αφορά την ενέργεια.

Ωστόσο, γιατί χρειαζόταν ένα νέο funky σχήμα; Γιατί τα υπάρχοντα σχήματα δεν παρέχουν αρκετές λύσεις; Με απλά λόγια, γιατί χρειαζόμαστε ένα νέο σχήμα για να κάμψουμε τα πράγματα;

Scutoid κύτταρα βοηθούν στην κάμψη του ιστού

Δοκιμάστε να πάρετε ένα σωρό στήλες με σταθερό αριθμό πλευρών και σταθερό μέγεθος και να φτιάξετε ένα σωλήνα από αυτό. Δεν πρέπει να υπάρχουν τρύπες ή κενά. Ούτε πρέπει να είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό. Ο σωλήνας θα πρέπει επίσης να μπορεί να λυγίζει και να συστέλλεται ελεύθερα.

Εάν αφιερώσατε χρόνο για να δοκιμάσετε και να φτιάξετε αυτόν τον σωλήνα, σύντομα θα συνειδητοποιούσατε ότι δεν είναι τόσο απλό όσο ακούγεται. Το να κυρτώσεις κάτι ενώ πληροίς όλα τα παραπάνω κριτήρια είναι ενεργειακά δύσκολο. Το άτομο που λυγίζει τον σωλήνα θα πρέπει να καταβάλλει συνεχώς ενέργεια για να διατηρεί τον σωλήνα στη μορφή που μοιάζει με σωλήνα.

Τα τυπικά γεωμετρικά σχήματα που μελετάμε στο σχολείο δεν είναι τόσο καλά όταν πρόκειται να είναι κυρτά και λυγισμένα. Εάν οι κύλινδροι σας δεν είναι κατασκευασμένοι από κάποιο εύκαμπτο υλικό, θα ήταν αδύνατο να τους κάμψετε. Η φύση, ευτυχώς, έχει αυτά τα πολύ εύκαμπτα δομικά στοιχεία—κύτταρα.

Η ομάδα των ερευνητών πίσω από την ανακάλυψη έθεσε ως στόχο να αντιμετωπίσει αυτό ακριβώς το πρόβλημα. Μέρη αυτού του προβλήματος συστροφής έχουν απαντηθεί, αλλά τα scutoids πρόσφεραν ένα άλλο μοναδικό κομμάτι. Η ομάδα χρησιμοποίησε, δούλεψε και ανακάλυψε αυτό το σχήμα στα πιο εύκαμπτα κύτταρα στη φύση—επιθηλιακά κύτταρα.

Διαφορετικά είδη επιθηλιακών κυττάρων

Τα σχήματα των επιθηλιακών κυττάρων (Photo Credit :logika600/ Shutterstock)

Τα επιθηλιακά κύτταρα είναι κύριοι μετατοπιστές σχήματος. Παίρνουν όλων των ειδών τα σχήματα, από αυτά που μοιάζουν με αμοιβάδα (πλακώδες) έως στήλες (κολονοειδή) και στριμωγμένο κύβο (κυβοειδές), έως ένα πρίσμα που μοιάζει με ένα φανταχτερό μπουκάλι με ένα εξίσου φανταχτερό όνομα, frustum.

Η ποικιλομορφία αυτών των σχημάτων είναι αποτέλεσμα του ποικίλου συνόλου λειτουργιών που επιτελούν τα επιθηλιακά κύτταρα στα ζωντανά όντα. Μία από τις λειτουργίες του είναι η κάλυψη οργάνων. Το δέρμα, το κοστούμι γενεθλίων μας, αποτελείται κυρίως από στρώματα διαφορετικών σχημάτων επιθηλιακών κυττάρων. Το να είναι ένα καλό κάλυμμα οργάνων απαιτεί τα κύτταρα να λυγίζουν και να κυρτώνουν μαζί με το σχήμα του οργάνου.

Αυτό μας οδηγεί πίσω στο πρόβλημά μας να φτιάξουμε έναν εύκαμπτο σωλήνα (ή οποιαδήποτε άλλη καμπύλη δομή). Εάν η φύση περιοριζόταν μόνο σε κιονοειδείς ή κυβοειδή κυψέλες, όλη η ζωή θα ήταν είτε επίπεδη είτε μια δέσμη πολύ περιορισμένων σχημάτων.

Ενυδάτωσέ με (Φωτογραφία :Flickr)

Στην πραγματικότητα, τα επιθηλιακά κύτταρα μπορούν να αλλάξουν ενεργά το σχήμα τους για να δημιουργήσουν μακρούς σωλήνες και να καλύψουν καμπυλοειδή όργανα. Κατά την ανάπτυξη του εμβρύου, τα επιθηλιακά κύτταρα υφίστανται μερικές από τις πιο δυναμικές αλλαγές σχήματος. Απλώς ρίξτε μια ματιά σε μια χρονική πάροδο του σχηματισμού ενός εμβρύου ψαριού ζέβρα (προσθήκη πηγής) για να κατανοήσετε τη δυναμική κίνηση αυτών των κυττάρων.

Πώς ανακαλύφθηκαν τα σκοτοειδή κύτταρα;

Οι περίεργες ψυχές που διερεύνησαν αυτή την ερώτηση προσομοίωσαν την καμπυλότητα των κυττάρων χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό υπολογιστικό μοντέλο που ονομάζεται διάγραμμα Voronoi (ένα διάγραμμα που χρησιμοποιείται συχνά στην αρχιτεκτονική, τη γεωγραφία και την επιδημιολογία) για να προβλέψουν ποια σχήματα θα ήταν τα πιο σταθερά ενεργειακά σε διαφορετικές καμπυλότητες και ακτίνες. /P>

Αυτό που προέβλεπαν τα δεδομένα τους ήταν σκουτοειδές. Αυτή ήταν μόνο μια πρόβλεψη που έγινε από ένα θεωρητικό μοντέλο. Για να επιτύχουν τη συμφωνία και να νομιμοποιήσουν την αξία του σχήματος για τη βιολογία, έπρεπε να αποδείξουν ότι υπήρχε στη φύση.

Το έκαναν αυτό εξετάζοντας τα επιθηλιακά κύτταρα στους σιελογόνους αδένες του Drosophila προνύμφες, όπου διαπίστωσαν ότι υπήρχαν παρόμοια σχήματα. Είδαν ότι μέχρι μια ορισμένη ακτίνα σχήματος σαν σωλήνα, τα κύτταρα θα έπαιρναν μια δομή κόλουρου. Καθώς ο σωλήνας έγινε πιο ασύμμετρος (η εξωτερική ακτίνα αλλάζει, ενώ η εσωτερική παραμένει σταθερή), τα κύτταρα πήραν ένα πιο σκοτοειδές σχήμα.

Αυτό το σχήμα, φαίνεται, είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να τακτοποιήσετε σφιχτά και συμπαγή ένα φύλλο κελιών σε καμπύλο σχήμα.

Το σχήμα των επιθηλιακών κυττάρων αλλάζει όταν είναι καμπυλωτά. (Φωτογραφία:Pedro Gómez-Gálvez/Wikimedia Commons)

Όταν η μελέτη κυκλοφόρησε τον Ιούλιο, προκάλεσε μια χαρούμενη γιορτή του σκουτοειδούς. Οι άνθρωποι δεν μπορούσαν να σταματήσουν να μιλούν για αυτό το υπέροχο νέο σχήμα και πώς θα προωθούσε τη μελέτη της γεωμετρίας των κυττάρων. Όλα αυτά τράβηξαν τα βλέμματα δύο τμημάτων φυσικής του Πανεπιστημίου Aberystwyth και του Πανεπιστημίου του Δουβλίνου στην Ουαλία και την Ιρλανδία, αντίστοιχα.

Αργότερα εκείνο το έτος, τον Σεπτέμβριο, οι φυσικοί από αυτά τα δύο πανεπιστήμια έδειξαν ότι τα σκοτοειδή είχαν ήδη εξεταστεί και χαρακτηριστεί στο έργο του βοτανολόγου Edward Matzke σχετικά με το σχήμα των φυσαλίδων σε αφρό, αν και το σχήμα δεν είχε επίσημο όνομα.

Οι ίδιοι οι ερευνητές πραγματοποίησαν πειράματα με φυσαλίδες σε αφρό για να επιβεβαιώσουν παλαιότερες παρατηρήσεις. Δημιούργησαν σαπουνόφουσκες ανάμεσα σε δύο γυάλινες πλάκες που απλώς κλείνουν αρκετά ώστε να σχηματίζεται ένα μόνο στρώμα φυσαλίδων που οριοθετείται και στις δύο πλευρές από τις πλάκες. Χρησιμοποιώντας αυτό, επιβεβαίωσαν την παρουσία σκουτοειδών.

Μελλοντική έρευνα για σκουτοειδείς

Γιατί, λοιπόν, ο λαϊκός πρέπει να ενδιαφέρεται για ένα νέο σχήμα που ανακαλύφθηκε στον τομέα της βιολογίας και για το οποίο μιλούν μόνο οι βιολόγοι;

Εφόσον τα σκοτοειδή βρέθηκαν όχι μόνο σε αναπτυσσόμενες μύγες, αλλά και καθώς τα κύτταρα υφίστανται αναδιάταξη κατά την ανάπτυξη, η κατανόηση του γιατί και πώς σχηματίζονται αυτά τα σχήματα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πρόοδο στην κατανόηση των ασθενειών και στην ιατρική.

Τα κύρια πεδία που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από αυτή τη γνώση είναι η ιατρική τεχνολογία και η in vitro οργανογένεση. Η κατασκευή τεχνητών οργάνων απαιτεί κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι κυτταρικοί αρχιτέκτονές μας κατασκευάζουν αυτό το όργανο και ποια δομικά στοιχεία χρησιμοποιούνται. Η κατανόηση του τρόπου σχηματισμού των σκουτοειδών μπορεί να οδηγήσει σε πιο ακριβή τεχνητά όργανα.

Ωστόσο, είμαστε ακόμα πολύ μακριά από αυτό το σημείο. Αυτό το πεδίο εξακολουθεί να κάνει τα μωρά του και υπάρχουν πολλά ερωτήματα που παραμένουν αναπάντητα. Ερωτήσεις όπως, Πώς γνωρίζουν τα κύτταρα ότι πρέπει να αλλάξουν σχήμα; Ποια γονίδια, εάν υπάρχουν, εμπλέκονται σε αυτό; Τι είδους πρωτεΐνες εμπλέκονται; όλα πρέπει να απαντηθούν.

Ολόκληρη η μοριακή βάση πίσω από τα σκοτοειδή περιμένει να ανακαλυφθεί. Αυτό για το οποίο μπορούμε να είμαστε σίγουροι είναι ότι για να σχηματίσουμε όλα τα τρελά σχήματα που κάνουν εσάς, εμένα, ένα κουνέλι και την ταπεινή μύγα των φρούτων, η γεωμετρία θα λυγίσει στη θέληση της φύσης για να βρει δημιουργικές λύσεις.