귀뚜라미 배아의 신비한 춤
6월에 100명의 초파리 과학자들이 격년으로 열리는 회의를 위해 그리스 크레타 섬에 모였습니다. 그 중에는 하버드 대학의 캐나다 유전학자인 Cassandra Extavour도 있었습니다. 그녀의 연구실은 초파리와 함께 진화와 발달을 연구합니다. “evo devo”. 대부분의 경우 그러한 과학자들은 “모델 유기체”로 Drosophila melanogaster라는 종을 선택합니다. 노벨상 생리학 및 의학에서.
그러나 Extavour 박사는 대안종을 모델 유기체로 육성한 것으로도 알려져 있습니다. 그녀는 귀뚜라미, 특히 두 점이 있는 귀뚜라미인 Gryllus bimaculatus에 특히 열심입니다. 비록 그것이 초파리를 따라다니는 곳 근처에서는 아직 아무것도 즐기지 못하지만 말입니다. (250명 정도의 수석 구도자들이 그레데에서 열리는 집회에 참석하기 위해 신청했습니다.)
그녀는 호텔 방에서 비디오 인터뷰에서 딱정벌레를 잡아먹으면서 “미쳤습니다.”라고 말했습니다. “저 귀뚜라미 종을 연구하는 모든 연구소장들과 회의를 하려고 하면 5명, 10명 정도가 될 것입니다.”
Extavour 박사의 연구 목표는 다음과 같습니다. 배아는 어떻게 작동합니까? 그리고 그것은 최초의 동물이 어떻게 되었는지에 대해 무엇을 밝혀 줄 수 있습니까? 모든 동물 배아는 비슷한 여정을 따릅니다. 하나의 세포가 여러 개가 된 다음 난자 표면의 한 층으로 배열되어 모든 성인 신체 부위에 대한 초기 청사진을 제공합니다. 그러나 동일한 게놈을 가지고 있지만 그 정보로 모두 같은 일을 하지 않는 세포인 배아 세포는 어디로 가야 하는지, 무엇을 해야 하는지 어떻게 알 수 있습니까?
Extavour 박사는 “그것이 저에게는 미스터리입니다.”라고 말했습니다. “항상 가고 싶은 곳입니다.”
시카고 대학의 생물학자이자 데이터 과학자이자 Extavour 박사의 연구실 동문인 Seth Donoughe는 발생학을 발달 중인 동물이 “적절한 시간에 적절한 장소에 올바른 부품”을 만드는 방법에 대한 연구라고 설명했습니다. 3차원으로 움직이는 특정 “올바른 부분”(세포 핵)을 보여주는 귀뚜라미 배아의 놀라운 비디오를 특징으로 하는 일부 새로운 연구에서 Dr. Extavour, Dr. Donoughe 및 동료들은 기하학 주연을 맡고 있습니다.
인간, 개구리 및 기타 널리 연구된 많은 동물은 단일 세포로 시작하여 즉시 별도의 세포로 계속해서 분열합니다. 귀뚜라미와 대부분의 다른 곤충에서는 처음에는 세포 핵만 분열하여 공유된 세포질을 통해 이동하는 많은 핵을 형성하고 나중에는 스스로 세포막을 형성합니다.
2019년 듀크 대학교의 양적 발달 생물학자인 스테파노 디 탈리아(Stefano Di Talia)는 초파리에서 핵의 움직임을 연구했습니다. 그리고 그것들은 세포질에서 맥동하는 흐름에 의해 운반된다는 것을 보여주었습니다. 마치 느리게 움직이는 물줄기의 소용돌이 위를 이동하는 잎사귀와 비슷합니다.
그러나 귀뚜라미 배아에서는 다른 메커니즘이 작동했습니다. 연구원들은 핵의 미세한 춤을 관찰하고 분석하는 데 몇 시간을 보냈습니다. 빛나는 덩어리가 수수께끼 같은 패턴으로 분할되고 움직이며, 완전히 질서정연하지도, 무작위적이지도 않은, 다양한 방향과 속도로, 멀리 있는 핵보다 더 동기화된 인접 핵이 있습니다. 퍼포먼스는 단순한 물리학이나 화학을 뛰어넘는 안무를 보여줬다.
Extavour 박사는 “핵이 가정하게 된 기하학적 구조는 핵 근처에 있는 다른 핵의 밀도를 감지하고 이에 반응하는 능력의 결과입니다.”라고 말했습니다. Di Talia 박사는 새로운 연구에 참여하지 않았지만 그것이 움직이는 것을 발견했습니다. “생물학적 관련성이 높은 아름다운 시스템에 대한 아름다운 연구입니다.”라고 그는 말했습니다.
핵의 여행
크리켓 연구원들은 처음에 고전적인 접근 방식을 취했습니다. 자세히 살펴보고 주의를 기울이십시오. Extavour 박사는 “방금 봤습니다.
그들은 레이저광 시트 현미경을 사용하여 비디오를 촬영했습니다. 스냅샷은 500개 정도의 핵이 세포질에 축적된 배아의 초기 발달 8시간 동안 90초마다 핵의 춤을 포착했습니다. (귀뚜라미는 약 2주 후에 부화합니다.)
일반적으로 생물학적 물질은 반투명하여 가장 정밀한 현미경으로도 보기 어렵습니다. 그러나 당시 일본 오카자키에 있는 국립기초생물학연구소(National Institute for Basic Biology)의 발달생물학자인 엑스타보(Extavour) 박사 연구실의 박사후 연구원이었던 타로 나카무라(Taro Nakamura)는 귀뚜라미의 특별한 변종 그 핵으로 빛나는 형광 녹색. Nakamura 박사는 배아의 발달을 기록했을 때 그 결과가 “놀랍습니다”라고 말했습니다.
그것이 탐색 과정의 “출발점”이었다고 Donough 박사는 말했습니다. 그는 공상과학 소설 작가이자 생화학 교수인 아이작 아시모프(Isaac Asimov)가 하는 말을 다음과 같이 바꾸어 표현했습니다. “종종 ‘유레카!’라고 말하지 않습니다. 무언가를 발견하면 ‘허. 이상 하네.'”
처음에 생물학자들은 배아가 (긴 곡물) 쌀알 크기의 약 1/3임을 고려하여 IMAX의 귀뚜라미와 동등한 회의실 스크린에 투사된 비디오를 루프로 시청했습니다. 그들은 패턴을 감지하려고 시도했지만 데이터 세트가 압도적이었습니다. 그들은 더 많은 양적 지식이 필요했습니다.
Donoughe 박사는 현재 위스콘신-매디슨 대학교의 응용 수학자인 Christopher Rycroft에게 연락하여 춤추는 핵을 보여주었습니다. ‘우와!’ Rycroft 박사가 말했습니다. 그는 이와 같은 것을 본 적이 없었지만 데이터 기반 협업의 잠재력을 인식했습니다. 그와 Rycroft 박사의 연구실에서 박사 과정 학생이었던 Jordan Hoffmann이 연구에 참여했습니다.
수많은 심사를 통해 수학 바이오 팀은 많은 질문을 고려했습니다. 몇 개의 핵이 있었습니까? 그들은 언제 나누기 시작했습니까? 그들은 어떤 방향으로 가고 있었습니까? 그들은 어디에서 끝났습니까? 왜 일부는 주위를 둘러보고 다른 일부는 기어 다니고 있었습니까?
Rycroft 박사는 종종 생명과학과 물리학의 교차점에서 일합니다. (작년에 그는 물리학에 관한 논문을 발표했습니다. 종이 구겨짐.) “수학과 물리학은 광범위하게 적용되는 일반 규칙을 도출하는 데 많은 성공을 거뒀고 이 접근 방식은 생물학에도 도움이 될 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. Extavour 박사도 같은 말을 했습니다.
팀은 종종 그림을 그리면서 화이트 보드에서 아이디어를 소용돌이 치는 데 많은 시간을 보냈습니다. 문제는 Dr. Rycroft에게 Voronoi 다이어그램, 기하학적 구조 공간을 겹치지 않는 하위 영역(폴리곤 또는 보로노이 셀)으로 분할하며, 각각은 시드 지점에서 발산합니다. 그것은 은하단, 무선 네트워크 및 산림 캐노피의 성장 패턴과 같은 다양한 것들에 적용되는 다재다능한 개념입니다. (나무 줄기는 종자 지점이고 크라운은 보로노이 세포로, 밀접하게 껴안고 있지만 서로를 잠식하지 않는 크라운 수줍음으로 알려진 현상입니다.)
귀뚜라미 상황에서 연구원들은 각 핵을 둘러싼 보로노이 세포를 계산하고 세포의 모양이 핵이 다음에 이동할 방향을 예측하는 데 도움이 된다는 것을 관찰했습니다. 기본적으로 도노우 박사는 “핵은 가까운 열린 공간으로 이동하는 경향이 있다”고 말했다.
그는 기하학이 세포 역학에 대한 추상적인 사고 방식을 제공한다고 지적했습니다. “세포 생물학의 역사 대부분에서 우리는 기계적 힘을 직접 측정하거나 관찰할 수 없었습니다. 그러나 연구자들은 이러한 세포 역학에 의해 생성된 고차 기하학적 패턴을 관찰할 수 있었습니다. “그래서 세포의 간격, 세포의 크기, 세포의 모양에 대해 생각하면 매우 미세한 규모의 기계적 제약에서 비롯된다는 것을 알고 있습니다.”라고 Donough 박사는 말했습니다.
크리켓 비디오에서 이러한 종류의 기하학적 정보를 추출하기 위해 Dr. Donoughe와 Dr. Hoffmann은 위치, 속도 및 방향을 측정하여 단계별로 핵을 추적했습니다.
현재 런던 딥마인드(DeepMind)의 응용 수학자인 호프만(Hoffmann) 박사는 “이것은 사소한 과정이 아니며 결국 많은 형태의 컴퓨터 비전과 기계 학습을 포함하게 된다”고 말했다.
그들은 또한 100,000개의 위치를 클릭하여 시간과 공간을 통해 핵의 계보를 연결하여 소프트웨어의 결과를 수동으로 확인했습니다. Hoffmann 박사는 그것이 지루하다고 생각했습니다. Donough 박사는 그것을 “하나의 배아 안에 있는 작은 우주를 고속으로 확대하여 각 핵의 여정의 실을 꿰매는” 비디오 게임을 하는 것으로 생각했습니다.
다음으로 그들은 핵의 움직임과 위치를 설명할 수 있는 가설을 테스트하고 비교하는 계산 모델을 개발했습니다. 대체로 그들은 Dr. Di Talia가 초파리에서 본 세포질 흐름을 배제했습니다. 그들은 무작위 운동과 핵이 물리적으로 서로를 밀어낸다는 개념을 반증했습니다.
대신, 그들은 초파리와 회충 배아에서 알려진 또 다른 메커니즘을 구축함으로써 그럴듯한 설명에 도달했습니다. 즉, 숲의 캐노피와 다르지 않은 각 핵에서 미세 소관 클러스터를 확장하는 세포질의 소형 분자 모터입니다.
팀은 유사한 유형의 분자력이 귀뚜라미 핵을 비어 있는 공간으로 끌어당긴다고 제안했습니다. Extavour 박사는 이메일에서 “분자는 미세소관일 수 있지만 우리는 그것을 확실히 알지 못합니다. “앞으로 더 많은 실험을 해봐야 알 수 있을 것입니다.”
다양성의 기하학
이 귀뚜라미 여행은 Donoughe 박사가 다양한 가설을 테스트하기 위해 만든 맞춤형 “배아 수축 장치”에 대한 언급 없이는 완전하지 않을 것입니다. 복제했다 오래된 학교 기술이지만 Extavour 박사와 다른 사람들과의 이전 연구에서 동기 부여되었습니다. 계란의 크기와 모양.
이 장치를 통해 Donough 박사는 귀뚜라미 알 주위에 사람의 머리카락을 감는 까다로운 작업을 수행할 수 있었습니다. 따라서 두 영역이 형성됩니다.
이어 연구원들은 다시 핵 안무를 지켜봤다. 원래 영역에서 핵은 밀집 밀도에 도달하면 속도가 느려졌습니다. 그러나 몇 개의 핵이 협착 지점에서 터널을 통해 몰래 빠져나갔을 때, 그들은 다시 속도를 높여 초원의 말처럼 풀어 주었습니다.
이것은 핵의 움직임이 기하학에 의해 좌우된다는 가장 강력한 증거라고 Donough 박사는 말했습니다.
연구가 끝날 때까지 팀은 10개의 하드 드라이브에 40테라바이트 이상의 데이터를 축적하고 크리켓의 도구 키트에 추가된 계산적 기하학적 모델을 개선했습니다.
Extavour 박사는 “귀뚜라미 배아를 실험실에서 사용할 수 있도록 더 다양하게 만들고 싶습니다. 즉, 생물학의 더 많은 측면을 연구하는 데 더 유용합니다.”라고 말했습니다.
이 모델은 모든 난자의 크기와 모양을 시뮬레이션할 수 있어 “다른 곤충 배아의 시험장”으로 유용하다고 Extavour 박사는 말했습니다. 그녀는 이것이 다양한 종을 비교하고 진화의 역사를 더 깊이 조사하는 것을 가능하게 할 것이라고 언급했습니다.
그러나 이 연구의 가장 큰 보상은 모든 연구자들이 동의한 협력 정신이었습니다.
Extavour 박사는 “전문 지식을 위한 장소와 시간이 있습니다. “과학적 발견과 마찬가지로 종종 우리는 특정 결과에 대해 우리만큼 투자하지 않은 사람들에게 자신을 노출해야 합니다.”
Extavour 박사는 수학자들이 제기한 질문에 “모든 종류의 편견이 없었다”고 말했습니다. “가장 흥미진진한 질문들입니다.”
출처: https://www.nytimes.com/2022/08/05/science/cricket-embryos-biology-development.html
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