چگونه ژن‌ها از فیزیک برای رشد موجودات زنده بهره می‌برند

همان نیروی کششی که در لیوان شراب «اشک‌ها» را ایجاد می‌کند، همان‌طور که جنین‌ها را شکل می‌دهد، عمل می‌کند. این مثال دیگری است از این‌که ژن‌ها چگونه از نیروهای مکانیکی برای رشد و توسعه استفاده می‌کنند.

ویدیو: Mark Belan و Michael Kanyangolo مجله Quanta

نسخهٔ اصلی این داستان در مجله Quanta منتشر شد.

یک جرعه شراب بنوشید و خواهید دید که مایع به‌صورت مستمر از سمت مرطوب لیوان می‌چکد. در سال ۱۸۵۵، جیمز تامسون، برادر لرد کلوین، در نشریه Philosophical Magazine توضیح داد که این «اشک‌ها» یا «پات‌های» شراب به‌دلیل تفاوت کشش سطحی بین الکل و آب ایجاد می‌شود. او نوشت: «این واقعیت توضیحی برای چند حرکت بسیار عجیب فراهم می‌کند». او هرگز تصور نمی‌کرد که همان اثر—که بعدها تحت نام اثر مارانگونی شناخته شد—می‌تواند در شکل‌گیری جنین‌ها نیز نقش داشته باشد.

در ماه مارس، گروهی از زیست‌فیزیک‌دانان در فرانسه گزارش کردند که اثر مارانگونی مسئول لحظهٔ کلیدی است که در آن یک جرم همگن از سلول‌ها کشیده می‌شود و محور سر‑به‑دم را می‌گیرد — نخستین ویژگی‌های تعریف‌کنندهٔ موجودی که در آینده خواهد شد.

این کشف بخشی از روندی است که با هنجارهای متداول زیست‌شناسی مخالف است. به‌طور معمول، زیست‌شناسان سعی می‌کنند رشد، توسعه و سایر فرآیندهای زیستی را به‌عنوان نتیجهٔ نشانه‌های شیمیایی تولید شده توسط دستورات ژنتیکی توصیف کنند. اما این تصویر اغلب ناقص به‌نظر می‌رسد. پژوهشگران امروز به‌طور فزاینده‌ای نقش نیروهای مکانیکی در زیست‌شناسی را می‌پذیرند: نیروهایی که با توجه به خصوصیات مادی بافت‌ها، آن‌ها را هل یا کش می‌دهند و رشد و توسعه را به‌گونه‌ای هدایت می‌کنند که ژن‌ها قادر به انجام آن نیستند.

تکنیک‌های نوین تصویربرداری و اندازه‌گیری چشم‌های دانشمندان را به این نیروها گشوده‌اند، به‌طوری که با بارگذاری داده‌های فراوان، تفسیرهای مکانیکی به‌عنوان چارچوبی جدید برای درک این پدیده‌ها ظاهر شده‌اند. «چیزی که در دهه‌های اخیر تغییر کرده است، واقعاً امکان مشاهدهٔ زندهٔ آنچه در حال وقوع است و دیدن مکانیک به‌صورت حرکت سلولی، بازآرایی سلولی و رشد بافت است»، گفت پییر‑فرانسوا لنِ، دانشگاه آیکس‑مارسی، یکی از پژوهشگران این مطالعهٔ اخیر.

این تغییر به سمت توجیهات مکانیکی، علاقه به مدل‌های پیش‌ژنتیکی در زیست‌شناسی را دوباره زنده کرده است. به‌عنوان مثال، در سال ۱۹۱۷، زیست‌شناس اسکاتلندی، ریاضیدان و پژوهشگر کلاسیک دارسی تامسون کتاب On Growth and Form را منتشر کرد که شباهت‌های شکل‌های موجودات زنده را با آن‌هایی که در مادهٔ غیرزنده ظاهر می‌شوند، برجسته می‌کرد. تامسون این کتاب را به‌عنوان پادزهری در برابر تمایل بیش از حد به تبیین همه‌چیز بر پایهٔ انتخاب طبیعی داروینی نوشت. فرضیهٔ او — که فیزیک نیز ما را شکل می‌دهد — امروز دوباره مدرن شده است.

«فرضیه این است که فیزیک و مکانیک می‌توانند به ما در درک زیست‌شناسی در مقیاس بافت کمک کنند»، گفت الکساندر کابلا، فیزیک‌دان و مهندس دانشگاه کمبریج.

وظیفهٔ امروز این است که تعامل این عوامل را درک کنیم؛ جایی که ژن‌ها و فیزیک به‌نحوی دست در دست هم، شکل‌گیری موجودات را می‌سازند.

رشد در جریان

مدل‌های مکانیکی رشد جنین و بافت جدید نیستند، اما زیست‌شناسان برای مدت طولانی به‌دلیل عدم دسترسی به روش‌های آزمایشی این ایده‌ها را نمی‌توانستند تست کنند. فقط مشاهدهٔ جنین‌ها دشوار است؛ آن‌ها کوچک و پراکنده‌اند و نور را همانند شیشهٔ دودی به‌تمام جهات پخش می‌کنند. اما تکنیک‌های نوین میکروسکوپی و تحلیل تصویر، پنجره‌ای شفاف‌تر به روی توسعه باز کرده‌اند.

لنِ و همکارانش برخی از این تکنیک‌های نوین را برای مشاهدهٔ حرکت سلول‌ها در داخل گاسترلوئیدهای موش اعمال کردند: دسته‌ای از سلول‌های بنیادی که در حین رشد، مراحل اولیهٔ تکامل جنین را شبیه‌سازی می‌کنند.

مشاهدات آن‌ها نشان داد که سلول‌ها به‌سوی لبه‌های گاسترلوئید جریان می‌یابند و سپس یک جریان بافتی در مرکز آن شکل می‌گیرد. برای لنِ، این سیستم شبیه یک قطره به‌نظر می‌رسید و پس از مرور ادبیات مرتبط با کشش سطحی در قطرهٔ در حال حرکت، به اثر مارانگونی پی‌برد.

توضیح جیمز تامسون در سال ۱۸۵۵ دربارهٔ اثر مارانگونی نشان می‌دهد که هنگامی که دو مایع با کشش سطحی متفاوت به یکدیگر می‌پیوندند، مایع با کشش سطحی بالاتر بر دیگر مایع کشش می‌کند. این به این دلیل است که کشش سطحی تمایل مولکول‌های سطحی یک مایع به جذب به سمت داخل توسط مولکول‌های همسایه است. وقتی دو مایع به‌هم می‌رسند، مایع با کشش بالاتر نیروی کششی قوی‌تری اعمال می‌کند و مایع با کشش کمتر به سمت مایع با کشش بالاتر حرکت می‌کند. در لیوان شراب، الکل در سطوح مرطوب لیوان به‌سرعت تبخیر می‌شود و مایع آبی‌تری باقی می‌ماند. آب کشش سطحی بالاتری نسبت به الکل دارد، بنابراین لبه‌های آب‌دار مایع را به‌سوی بالای سطح مرطوب می‌کشند. در نهایت این مایع به‌دلیل وزن خود، قطره‌قطره می‌شود و «اشک‌ها» را می‌سازد.

این جریان شراب که بالا به لبه‌ها می‌رود و سپس به‌سوی پایین باز می‌گردد، شبیه جریان بافت در گاسترلوئید است. در واقع، وقتی تیم مدل جریان بافت مشابه اثر مارانگونی در گاسترلوئید را آزمون کرد، تطابق چشمگیری با داده‌های تجربی مشاهد شد.

جریان مارانگونی یک اثر مکانیکی است، اما ژن‌ها نیز نقش دارند: آن‌ها اختلاف کشش سطحی را تعیین می‌کنند. ابتدا، ژن‌ها غلظت بالاتری از دو پروتئین خاص را در بخشی از توده سلولی تولید می‌کنند. این پروتئین‌ها کشش سطحی را کاهش می‌دهند و بنابراین بافت از آن ناحیه دور می‌شود. سپس بافت در اطراف لبه‌های گاسترلوئید جریان می‌یابد و در نهایت به مرکز آن باز می‌گردد — همانند اشک‌های شراب که در لبه‌های لیوان می‌چکانند. این فرآیند گاسترلوئید را طولانی می‌کند. کابلا گفت: «این نمونه‌ای بسیار عالی است از این که چگونه مکانیک، همراه با تمام پیچیدگی‌های ذاتی زیست‌شناسی مولکولی و سلولی، نقش بسیار مهمی در شکل‌گیری موجودات دارد.»

مقیاس‌های پر

در سال ۲۰۱۷، آلان رودریگز و ایمی شایر نتوانستند آنچه را که می‌جستند پیدا کنند. این دو، همسرای آزمایشگاه مورفوجنز دانشگاه راکفلر، در تلاش برای درک چگونگی شکل‌گیری فاصله منظم پرهای پرنده بودند. نظریهٔ رایج آن زمان این بود که جنین‌های پرنده مولکول‌های خاصی به نام مورفژن‌ها را در پوست خود ترشح می‌کنند. این مورفژن‌ها سپس ژن‌ها را به تولید پروتئین‌های مناسب در مکان‌های مناسب ترغیب می‌کردند تا فولیکول‌ها شکل گیرند. اما پژوهشگران هیچ سیگنال ژنتیکی که می‌توانست این فرآیند را آغاز کند، نیافتند.

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که نیروهای مکانیکی و کششی نقش مهمی دارند. در گزارشی در سال ۲۰۲۳ در Science، تیمشان دریافت که مورفژن‌ها دقیقاً پیش از شروع جوانه‌زنی فولیکول پر ترشح می‌شوند. اما این مورفژن‌ها به‌نظر نمی‌رسیدند که بر سطح سلول‌های تک‌تک تأثیر بگذارند؛ بلکه بر بخش‌های گسترده‌تری از بافت اثر می‌گذارند. این مولکول‌ها خواص مادی بافت را تغییر می‌دهند، بستر را برای نیروهای مکانیکی فراهم می‌کنند تا بافت را برای الگو‌سازی فولیکول‌ها هل یا بکشانند.

«آنچه واقعاً ما را شگفت‌زده کرد این است که ممکن است با یک مجموعه نسبتاً ساده از دستورهای ژنتیکی و مولکولی به‌نتیجه برسیم، چون فرایندهای نوظهوری و ویژگی‌های اضافی در سطوح دیگر نیز به وقوع می‌پیوندند»، گفت رودریگز.

برای رودریگز، مسئلهٔ بزرگ این است که چگونه فرآیندهای مختلف در سطوح طولی مختلف، از ژن‌ها تا سلول‌ها و بافت‌ها، با هم کار می‌کنند. این مسأله‌ نیست که همه چیز از کوچک‌ترین مقیاس‌ها آغاز می‌شود و سپس ساختار می‌یابد. در مورد توسعه فولیکول‌های پر پرنده، تغییرات در سطوح مولکولی و بافتی همزمان رخ می‌دهند. این کار «دیدگاه عمومی در زیست‌شناسی» را به‌چالش می‌کشد، افزود رودریگز: «که تنظیم یا علّی‌سازی در سطح مولکولی آغاز می‌شود و سپس به سطوح بالاتر منتقل می‌شود تا ویژگی‌های کلی مانند شکل را تعیین کند.»

به‌کارگیری نیروهای فنری

برخی پروتئین‌ها به‌طور مستقیم خواص مادی داخل سلول‌های فردی را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند و زمینه‌ساز این می‌شوند که نیروهای مکانیکی نیز در همان سطح عمل کنند. به‌عنوان مثال، در طول جنین‌زایی مگس میوه (دروسوفیلا)، سلول‌های جنین نه‌تنها بازآرایی می‌شوند؛ بلکه کشیده می‌شوند. این کشش مستقیماً به فعالیت ژنی مربوط است که ویژگی کشسانی خاصی برای سلول‌ها به‌وجود می‌آورد.

اگر یک فنر یا مادهٔ الاستیک مانند یک نوار کشی داشته باشید، مواد نسبت به نیروی اعمال‌شده به‌ساده‌ترین صورت گسترش می‌یابند؛ این رابطه به نام قانون هوک شناخته می‌شود و به‌طور کلی صادق است، مگر اینکه شیء کشیده‌شده درون سیال ویسکوزی باشد؛ در این حالت میزان گسترش نیز به زمان بستگی دارد (مانند حرکت کردن شیره؛ هم‌زدن سریع دشوار است).

به‌نظر می‌رسد که موجودات زنده نیز این وابستگی به زمان را نشان می‌دهند. گروه‌های متعدد کشیدند که کشش برخی سلول‌های مگس میوه به‌صورت رادیکال زمان وابسته است؛ یعنی میزان کشش به رادیکال مدت زمان اعمال نیرو بستگی دارد. سؤال این است که این رفتار از کجا ناشی می‌شود.

در مقاله‌ای در Physical Review Letters در ژوئن، کنستانتین داوبرووینسکی و همکارانش در مرکز پزشکی دانشگاه تگزاس سادرن، این پدیده را به‌وسیلهٔ تولید آکتین—یکی از پروتئین‌های عمده در این سلول‌ها—توضیح دادند. آن‌ها پیشنهاد کردند که رشته‌های آکتین به‌مانند فنرهای داخلی سلول عمل می‌کنند و در مقابل نیروی کششی مقاومتی ایجاد می‌نمایند که باعث رفتار مشاهد‌شده می‌شود.

داوبرووینسکی و تیمش نقش آکتین را با تکرار آزمایش‌ها با استفاده از داروهایی که مانع مونتاژ پروتئین آکتین می‌شوند، تأیید کردند. او گفت: «در واقع، واکنش الاستیک تقریباً به‌طور کامل از بین می‌رود.»

کابلا می‌گوید که اگرچه این مطالعه استدلال قوی‌ای ارائه می‌دهد، بحث دربارهٔ رفتار کششی همچنان ادامه دارد. او اشاره می‌کند که یکی از چالش‌های زیست‌شناسی، فهم این موضوع است که چه چیزی چه تأثیری دارد، و آیا یک پدیدهٔ خاص، عامل اصلی تغییر است، یا فقط یک عامل کمکی یا پیامد بی‌اهمیت.

این سؤالات بازتابی از مباحث مشابه دربارهٔ اهمیت زیستی شباهت‌های هندسی هستند که دارسی تامسون بیش از یک قرن پیش فهرست کرده بود. اما استدلال اصلی تامسون که این فرم‌های هندسی ناشی از نیروهای فیزیکی زیرین هستند، تحت آزمون‌های مدرن همچنان پابرجاست.

«برای بسیاری از ما»، گفت کابلا، «طبیعی به‌نظر می‌رسد که هر‌جا حرکتی وجود دارد، مکانیک نیز حتماً درگیر است.»

داستان اصلی با اجازه از Quanta Magazine، یک نشریهٔ مستقل ویرایشی از بنیاد سیمونز که هدف آن ارتقای درک عمومی از علم از طریق پوشش پیشرفت‌های پژوهشی و روندها در ریاضیات و علوم فیزیکی و زیستی است.