Wissenschaftler:innen der Technischen Universität Dresden haben in einer aktuellen Studie bedeutende Fortschritte in der Erforschung der embryonalen Entwicklung gemacht. Die Ergebnisse, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, zeigen, wie physikalische Instabilitäten die Organisation von Zellen während der Entwicklung beeinflussen. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven für das Verständnis der Multizellularität, einem grundlegenden Phänomen der Biologie, das die Vielfalt des Tierreichs ermöglicht.
Die Studie beleuchtet, wie Zellen während des Embryonalwachstums physikalische Grenzen durch instabile Prozesse schaffen. Sie entwickeln dabei unterschiedliche Strategien zur Kontrolle dieser Instabilität. Besonders hervorzuheben ist der neu beschriebene Mechanismus der Zellteilung im Zebrafisch, bei dem die Eigenschaften des Zytoplasmas und des Zytoskeletts in einem komplexen Zusammenspiel agieren.
Rolle der Mikrotubuli
Das Forschungsteam identifizierte, dass Mikrotubuli eine Schlüsselrolle bei der zytoplasmatischen Partitionierung spielen. Diese filamentösen Strukturen lagern sich zu Asteren zusammen, die essenziell für die korrekte Verteilung des Zytoplasmas sind. Zusätzlich konnten sie zeigen, dass in Frosch-Eizellenextrakten zytoplasmatische Kompartimente spontan organisiert werden können, selbst in Abwesenheit von Zellmembranen. Dies legt nahe, dass die Regulation von Kompartimenten in großen Wirbeltierembryonen inhärent instabil ist, da Mikrotubuli-Asteren sowohl interagieren als auch fusionieren.
Bemerkenswert ist, dass der Zeitpunkt der Zellteilungen auf das Einsetzen dieser Instabilität abgestimmt ist. Diese Abstimmung ist entscheidend, um eine korrekte embryonale Organisation sicherzustellen. Unterschiede in der Embryonalentwicklung verschiedener Arten könnten demnach durch kleine Änderungen in physikalischen Parametern erklärt werden.
Implicitionen für Evolutionsbiologie und Gesundheit
Die Ergebnisse der Studie werfen auch Fragen zur Evolution auf. Die Regulation der Mikrotubuli-Nukleation könnte evolutionäre Anpassungen für die Musterbildung in der frühen Entwicklung ermöglicht haben. Diese Einsichten sind nicht nur für die Evolutionsbiologie von Bedeutung, sondern haben auch weitreichende Implikationen für die menschliche Gesundheit. Veränderungen in der Mikrotubuli-Dynamik können eine Rolle bei der Bildung gesunder Gewebe spielen und somit relevant für die Erforschung von Erkrankungen wie Krebs sein.
Die Untersuchung wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie andere Institutionen gefördert und ist Teil der umfangreichen Forschungsanstrengungen des Exzellenzclusters Physics of Life an der TU Dresden. Hier werden die physikalischen Gesetze der Organisation des Lebens eingehend untersucht, was höchstwerte Einblicke in fundamentale biologische Prozesse verspricht. Bei weiteren Studien könnten diese Erkenntnisse entscheidend sein, um das Verständnis von Entwicklungsmechanismen und deren Bruchstellen zu vertiefen.