Er is een nieuwe geometrische vorm ontdekt die een driedimensionale verpakking van epitheelcellen mogelijk maakt bij het maken van gebogen weefsels en organen.
Elk levend organisme begint als een enkele cel, die zich vervolgens splitst in meer cellen, die zich verder delen en onderverdelen totdat miljarden cellen zijn gevormd om het hele organisme te creëren. Het is een van de meest raadselachtige aspecten van de biologie hoe, uitgaande van cellen, eerst weefsels en vervolgens organen worden gevormd. In wezen wordt een eenvoudige structuur van het embryo gevormd door slechts enkele cellen een levend organisme met complexe organen. Bijvoorbeeld, miljoenen epitheelcellen pakken samen om de menselijke huid te vormen, ons grootste orgaan en sterkste barrière. Als onze huid een volledig vlak oppervlak zou zijn, zouden bekende geometrische vormen op elkaar kunnen worden gestapeld om een huid te bouwen. Maar omdat ons lichaam niet plat is, moeten deze epitheelcellen zichzelf buigen en buigen. Epitheelcellen vormen niet alleen de buitenste laag van onze huid, maar ze bekleden ook de bloedvaten en de organen bij alle dieren. Wanneer een embryo zich ontwikkelt, buigen weefsels (gemaakt van cellen) zich en vormen complexe driedimensionale vormen die vervolgens organen worden zoals hart of lever enz. De startblokken epitheelcellen 'bewegen' en 'verbinden' met elkaar om zichzelf te organiseren en stevig in te pakken om geven een orgel zijn uiteindelijke driedimensionale vorm, aangezien de meeste orgels gebogen structuren zijn. Vanwege deze vereiste van kromming, is het duidelijk dat epitheelcellen die de organen bekleden kolom- of flesvormen moeten aannemen om organen te kunnen omringen terwijl het embryo groeit. Epitheelcellen hebben ook andere functies, zoals het vormen van een barrière tegen infecties en de opname van voedingsstoffen.
Een nieuwe vorm ontdekt!
Onderzoekers van de Universiteit van Sevilla, Spanje en Lehigh University, VS concluderen in hun studie gepubliceerd in Nature Communications dat epitheelcellen een vorm aannemen die lijkt op 'gedraaide prisma's'. Deze nieuwe solide geometrische vorm is nagesynchroniseerd als 'scutoïde'. Deze vorm stelt epitheelcellen in staat om hun doel te bereiken, namelijk het verschaffen van driedimensionale bedekking aan organen. Scutoid is een prisma-achtige structuur, met zes zijden aan de ene kant en vijf aan de andere kant, samen met een driehoekig vlak aan een van de lange randen van het prisma. Deze unieke structuur van scutoid maakt het mogelijk om ze op elkaar te stapelen met afwisselend vijfzijdige en zeszijdige uiteinden waardoor gebogen oppervlakken kunnen worden gecreëerd. Deze naam bestaat niet in de geometrie en werd door onderzoekers gekozen na zorgvuldige overweging en vanwege de gelijkenis van scutoid met de vorm van een schildje van een kever, het achterste uiteinde van de thorax van een insect.
Scutoid-vorm is overvloedig
Onderzoekers gebruikten computationele modelleringstechnieken met behulp van Voronoi-diagrammen. Dit is het meest gebruikte hulpmiddel om geometrische vormen in verschillende velden te begrijpen. Modelleringsexperimenten toonden aan dat naarmate de kromming in het weefsel toeneemt, cellen waaruit deze weefsels bestaan, complexere vormen gebruikten dan alleen kolommen en flesvormen, zoals eerder werd aangenomen. De epitheelcellen nemen een vorm aan die voorheen onbeschreven is en deze specifieke vorm helpt de cellen om ze energiezuiniger te maken terwijl ze een stabiele pakking maximaliseren. Onderzoekers keken aandachtig naar de driedimensionale verpakking van verschillende weefsels in verschillende dieren om hun standpunten te analyseren. Experimentele gegevens hebben aangetoond dat epitheelcellen erg op elkaar lijken 3D motieven zoals voorspeld door computationele modellering. Dus dit nieuwe vorm scutoid helpt bij het buigen en buigen en zorgt voor de meest optimale manier voor de cellen om stabiel verpakt te blijven. Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat er een nieuwe vorm bestaat, onderzochten onderzoekers in andere organismen de aanwezigheid van een scutoïde-achtige vorm en ze ontdekten dat deze vorm overvloedig aanwezig was. Deze scutoïde-achtige vormen zijn ook gevonden in epitheelcellen van zebravissen en speekselklieren van fruitvliegen en vooral in die gebieden waar weefsel het meest moet buigen in plaats van er plat uit te zien.
Dit is een zeer interessante en unieke ontdekking die ons begrip kan vergroten en ons kan helpen de driedimensionale organisatie van organen (morfogenese) te beheersen. Het kan meer licht werpen op wat er gebeurt als een orgaan niet correct wordt gevormd, wat leidt tot ziekten. Het zou een enorme hulp kunnen zijn op het gebied van het kweken van kunstmatige organen en weefseltechnologie, aangezien het bouwen van steigers met de juiste verpakkingsstructuur tot betere resultaten zou leiden. De ontdekking van deze nieuwe vorm heeft potentiële toepassingen op verschillende wetenschappelijke gebieden.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Gomez-Gálvez P et al. 2018. Scutoïden zijn een geometrische oplossing voor driedimensionale pakking van epithelia. Nature Communications. 9 (1).
https://doi.org/10.1038/s41467-018-05376-1
***
