Muizenembryo. De chromosomen en celmembranen zijn zichtbaar gemaakt voor de microscoop met behulp van lichtgevende eiwitten (afb: PNAS)

Op de een of andere manieren ontwikkelen zich in een embryo op verschillende plaatsen ander cellen (en dus weefsels) in een sublieme vorm van zelforganisatie. David Brückner en Gašper Tkačik van het Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk (ISTA) hebben nu een wiskundige aanpak ontwikkeld waarmee ze dit proces kunnen doorgronden en de optimale parameters ervan kunnen voorspellen.
Zelforganisatie komt veel voor in de natuur. Die zie je in scholen vissen en zwermen vogels of in insectencollectieven, maar ook in microscopische processen die door cellen worden aangestuurd. David Brückner houdt zich bezig met het begrijpen van deze processen vanuit een theoretisch perspectief. Zijn aandacht is vooral gericht op de embryonale ontwikkeling, een uiterst ingewikkeld proces dat wordt aangestuurd door genen en cellen die met elkaar communiceren.

Tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaat uit een enkele bevruchte cel een meercellige embryo met organen met vaak erg verschillende kenmerken (terwijl toch al die cellen hetzelfde DNA hebben). “Bij veel stappen in dit ontwikkelingsproces heeft het systeem geen extern signaal dat zegt wat het moet doen. Er is veeleer een intrinsieke component die het systeem in staat stelt patronen en structuren te creëren”, zegt Brückner. “Deze intrinsieke eigenschap wordt zelforganisatie genoemd.”
Zelfs in de aanwezigheid van onvoorspelbare factoren – natuurkundigen noemen die ‘ruis’ – vormen de embryonale patronen zich betrouwbaar en constant. De afgelopen jaren hebben wetenschappers steeds meer ontdekt over de moleculaire details die dit complexe proces beheersen. Tot nu toe was er echter geen wiskundige benadering die kon worden gebruikt om de prestaties ervan te analyseren en te kwantificeren, stelt het persbericht maar wat daarmee bedoeld wordt is (mij=as) niet duidelijk. Wat valt er te analyseren en het resultaat (een compleet zoogdier) is toch bekend? Afijn, die aanpak schijnt er nu wel te zijn.

“Informatietheorie is een universele taal voor het kwantificeren van structuren en regelmatigheden in statistische verzamelingen – dat wil zeggen een reeks herhalingen van hetzelfde proces. Embryonale ontwikkeling kan worden gezien als een proces dat op reproduceerbare wijze functionele organismen produceert die sterk op elkaar lijken, maar niet identiek zijn”, legt Brückners baas Gašper Tkačik uit.

Tkačik bestudeert al langer hoe informatie wordt verwerkt in biologische systemen, zo ook bij vliegembryo’s. “In de vroege stadia van het vliegembryo zijn de patronen niet zelfgeorganiseerd”, stelt hij. “De moedervlieg dient stoffen toe aan het ei die de cellen instrueren wat ze moeten doen (???;as).”
Omdat de Tkačik-groep toch al een wiskundige aanpak voor dit systeem had ontwikkeld, ging Brückner logischerwijs bij hen te rade voor het ontwikkelen van een wiskundige benadering voor het zoogdierembryo. Brückner: “Met de expertise van Gašper op het gebied van informatietheorie zijn we erin geslaagd dit te voor elkaar te krijgen.”

‘Ruis’

Tijdens de embryonale ontwikkeling wisselen cellen signalen uit en worden die voortdurend blootgesteld aan ‘ruis’. Daar moeten die zich ontwikkelende (rijpende) cellen bestand tegen zijn. De nieuwe aanpak beschrijft hoe deze interacties kunnen worden geoptimaliseerd om die ruis te weerstaan. Computersimulaties van wisselwerkende cellen zouden de onderzoekers tonen hoe een systeem ondanks de verstoringen toch een stabiel eindresultaat kan bereiken.
“We laten zien dat de voorgestelde aanpak de totale informatieinhoud van doelpatronen beoordeelt en deze ontleedt in interpreteerbare bijdragen die overeenkomen met de positionele en correlatieve informatie”, schrijven de onderzoekers. “Door de voorgestelde aanpak te optimaliseren, biedt ons raamwerk een normatieve theorie voor ontwikkelingscircuits, die we demonstreren op het gebied van remming, celtypevorming en reactie-diffusiemodellen van zelforganisatie.” Dat zou inzicht geven hoe al die chemische en mechanische signaalprocessen op elkaar inwerken (zo begrijp ik=as).

Met de nieuwe aanpak zijn al drie verschillende ontwikkelingsmodellen beschreven, allemaal gebaseerd op chemische en mechanische signalen. Er is echter meer nodig om die aanpak toe te passen op experimentele studies van ontwikkelingssystemen. “In de toekomst willen we complexere modellen met meer parameters en dimensies onderzoeken”, zegt Tkačik. “Door nog complexere modellen te gebruiken, zouden we onze aanpak ook kunnen toepassen op experimenteel gemeten patronen van chemische signalen in zich ontwikkelende embryo’s”, voegt Brückner toe.

Bron: idw-online.de