보이지 않는 힘이 생명을 시작한다

과학자들은 마찰력이 해양 생물의 진화를 어떻게 주도하는지 연구합니다.

도예가가 물레 작업을 할 때 손과 부드러운 점토 사이의 마찰은 물레를 온갖 모양과 창조물로 만드는 데 도움이 됩니다. 흥미롭게도 해양 난모세포(미성숙 난세포)는 수태 후 발달 변화를 겪기 위해 내부의 여러 구획 내에서 마찰을 이용합니다. 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 하이젠베르크 그룹이 수행한 연구는 다음과 같이 발표되었습니다. 자연 물리학이제 이것이 어떻게 작동하는지 설명합니다.

산호초에 붙어 있는 바다멍게. 해양 유기체는 척추동물 발달 과정을 연구하기 위한 훌륭한 모델입니다.

다양한 해양생물: 멍게의 세계

바다에는 놀라운 생명체가 가득합니다. 해조류와 다채로운 물고기부터 바다 달팽이와 멍게까지, 물 속에서는 전혀 다른 세계가 모습을 드러냅니다. 특히 멍게, 즉 그릇은 매우 특이합니다. 자유롭게 움직이는 유충 단계 이후에 유충은 자리를 잡고 바위나 산호와 같은 단단한 표면에 달라붙어 관(사이펀)을 발달시키는 것이 특징입니다. 성체가 되면 고무 덩어리처럼 보이지만 인간과 가장 가까운 무척추동물입니다. 특히 유충 단계에서 멍게는 놀랍게도 우리와 유사합니다.

따라서 고세는 초기 배아 발달을 연구하기 위한 모델 유기체로 자주 사용됩니다. 척추동물 인간이 속한 곳. “호시동물은 척추동물의 기본적인 발달 및 형태학적 특징을 나타내면서도 척추동물의 전형적인 세포 및 게놈 단순성을 갖고 있습니다.” 무척추동물오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 칼 필립 하이젠베르그(Carl Philipp Heisenberg) 교수는 “특히 아시디안 유충은 초기 척추동물 발달을 이해하는 데 이상적인 모델입니다.”라고 설명합니다.

연구자들은 난자가 수정된 후의 움직임을 시각화하기 위해 액토미오신 피질(왼쪽, 녹색 염색)과 근세포(오른쪽, 파란색 염색)의 액틴 단백질에 라벨을 붙였습니다. 난자의 아래쪽 부분에 있는 액토미오신 껍질이 움직일 때 근세포질과 기계적으로 상호작용하여 난자의 휘어짐을 유발합니다. 버클은 결국 수축 극으로 용해됩니다. 출처: © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

그의 연구 그룹의 가장 최근 연구는 다음과 같습니다. 자연 물리학, 이제 개발에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 결과는 금욕주의 알이 수정될 때 마찰력이 내부를 리모델링하고 재구성하는 데 중요한 역할을 하여 발달 단계의 다음 단계를 예고한다는 것을 나타냅니다.

난자의 변태를 해독하다

난자는 생식에 관여하는 여성 생식 세포입니다. 남성 정자에 의한 성공적인 수정 후 동물 난자는 일반적으로 세포질 재구성을 거쳐 세포 내용물과 구성 요소가 변경됩니다. 이 과정은 태아의 이후 발달을 위한 청사진을 제시합니다. 예를 들어, 금욕의 경우 이러한 변형으로 인해 수축 극(CP)으로 알려진 종 모양의 돌기(작은 돌기 또는 코 모양)가 형성되며, 여기에 태아 성숙을 촉진하는 필수 물질이 축적됩니다. 그러나 이 프로세스를 구동하는 기본 메커니즘은 알려져 있지 않습니다.

수축 극의 형성. 수정 후 이종 이식 난모세포의 세포 모양 변화의 미세한 시간 경과: 수정되지 않은 난자부터 수축 극 개시, 수축 극 형성, 수축 극 재흡수까지. 출처: ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

ISTA, 파리 시립 대학, CNRS, 킹스 칼리지 런던, 소르본 대학의 과학자 그룹이 이 미스터리를 풀기 시작했습니다. 이러한 노력을 위해 Heisenberg 그룹은 프랑스 Roscoff Marine Terminal에서 성체 ascidians를 수입했습니다. 거의 모든 멍게는 수컷과 암컷의 생식 세포를 모두 생산하므로 자웅동체입니다. “실험실에서는 그것들을 바닷물 탱크에 보관합니다. 나누다“초기 배아 발달을 연구하기 위해 난자와 정자를 얻는 편리한 방법”이라고 이 연구의 첫 번째 저자이자 Heisenberg 연구실의 박사 과정 학생이었던 Silvia Caballero Mancebo는 말했습니다.

수축 극의 형성. 수정 후 고행 난모세포의 미세한 세포 모양 변화: 미수정란(왼쪽에서 첫 번째 이미지)에서 수축 극 개시(왼쪽에서 두 번째 및 세 번째 이미지) 및 수축 극 형성(왼쪽에서 네 번째 이미지)까지. 출처: © Caballero-Mancebo 외./자연 물리학

과학자들은 수정된 고행란을 현미경으로 분석한 결과 수축극의 형성으로 이어지는 세포 모양의 매우 재현 가능한 변화를 따르고 있음을 깨달았습니다. 연구진의 첫 번째 조사는 동물 세포의 세포막 아래에서 발견되는 동적 구조인 액토미오신(세포) 피질에 초점을 맞췄습니다. 이는 액틴 필라멘트와 모터 단백질로 구성되며 일반적으로 세포의 모양 변화를 위한 모터 역할을 합니다.

“우리는 세포가 수정될 때 액토미오신 피질의 장력이 증가하면 세포가 수축하여 움직임(흐름)을 촉발하고 세포 모양의 초기 변화를 초래한다는 것을 발견했습니다.”라고 Caballero-Mancebo는 계속합니다. 그러나 수축 극 확장 중에 액토미오신 흐름이 중단되어 돌출을 담당하는 추가 플레이어가 있음을 시사합니다.

실비아 카바예로 만세보. ISTA 졸업생은 자연의 신비를 풀고 그것을 소설로 바꾸는 데 큰 기쁨을 느낍니다. 이미지 출처: © Nadine Boncione/ISTA

마찰력은 세포 리모델링에 영향을 미칩니다

과학자들은 수축 극 확장에 역할을 할 수 있는 다른 세포 구성 요소를 자세히 조사했습니다. 그렇게 함으로써 그들은 고행성 난세포의 하부 영역에 중앙에 있는 소기관과 세포내 분자(관련 형태는 많은 척추동물과 무척추동물 알에서 발견됨)로 구성된 층인 근세포를 만났습니다. Caballero-Mancebo는 “이 특정 층은 단단하고 신축성이 있는 물질처럼 작용하며 수정 중에 난자와 함께 모양이 변합니다.”라고 설명합니다.

오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 칼 필립 하이젠베르크(Carl Philipp Heisenberg). ISTA의 세포 생물학자 연구 그룹은 멍게와 제브라피시를 연구하고, 조직화되지 않은 세포 그룹이 발달하면서 어떻게 정교한 모양으로 변하는지 이해하려고 노력합니다. 이미지 출처: © Nadine Boncione/ISTA

액토미오신 껍질이 흐르는 동안 근질은 두 구성 요소 사이에 존재하는 마찰력으로 인해 접히고 수많은 버클을 형성합니다. 액토미오신의 움직임이 멈추면 마찰력도 사라진다. Caballero-Mancebo는 “이 정지는 여러 개의 근질 버클이 잘 정의된 종 모양의 돌출부로 용해되면서 결국 수축 극의 확장으로 이어집니다.”라고 덧붙입니다.

이 연구는 기계적 힘이 세포와 유기체의 모양을 어떻게 결정하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 이는 마찰력이 발달 중인 유기체의 형성과 형성에 중추적인 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 그러나 과학자들은 배아 발달에서 마찰의 구체적인 역할을 이제 막 이해하기 시작했습니다. Heisenberg는 “근육질은 고름의 다른 배아 과정에도 관여하기 때문에 흥미롭습니다. 특이한 물리적 특성을 탐구하고 멍게 형성에 어떤 역할을 하는지 이해하는 것은 매우 흥미로울 것입니다.”라고 덧붙였습니다.

참고 자료: Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Steckari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, “마찰력은 수정 시 난모세포의 세포질 재구성 및 모양 변화를 결정합니다.” Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris 및 Carl Philipp Heisenberg, 2024년 1월 9일, 자연 물리학.
도이: 10.1038/s41567-023-02302-1