Durch die Anwendung eines leichten Drucks entlang des abgetrennten Körpers der Hydra mithilfe eines Agar-Gels über vier Tage hinweg induzierten die Wissenschaftler zwei topologische Defekte, die zur Bildung von zwei Köpfen führten (links).
© Roux - UNIGE
Diese Arbeit zeigt, wie äußere mechanische Belastungen die Symmetriepunkte des Organismus verändern und seine Entwicklung beeinflussen können. Diese Symmetrien, die bei anderen komplexeren Tierarten vorhanden sind, könnten eine wichtige Rolle in der Evolution spielen. Die Studie ist in der Zeitschrift Science Advances zu finden.
In der griechischen Mythologie ist die Hydra ein Monster, das von Herakles besiegt wurde und dessen neun Köpfe nachwachsen, sobald sie abgeschlagen werden. Aber die Hydra ist auch ein kleines Wassertier aus der Familie der Quallen, das im 18. Jahrhundert entdeckt wurde und in ruhigen Süßgewässern von Seen und Teichen lebt. Mit einer Größe von nur wenigen Millimetern hat sie einen Fuß und einen Kopf, der mit feinen Tentakeln ausgestattet ist. Ihre außergewöhnlichen Regenerationsfähigkeiten haben ihr den Namen ihres mythologischen Namensvetters eingebracht.
Wenn eine Hydra senkrecht zur Körperachse (zwischen Fuß und Kopf) abgetrennt wird, regeneriert sie sich, indem sie einen neuen Kopf bildet. Durch die Anwendung eines leichten Drucks auf das Gewebe, das den Kopf regeneriert, gelang es einem Team unter der Leitung von Aurélien Roux, ordentlicher Professor am Departement für Biochemie der Sektion für Chemie und Biochemie der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE, die Bildung von lebensfähigen zweiköpfigen Hydren zu induzieren. Ein Phänomen, das bisher noch nie beobachtet wurde.
Eine zweiköpfige Hydra, die durch Druck auf den abgetrennten Körper des Tieres erzeugt wurde, fängt Artemien, die in die Umgebung eingeführt wurden, um sich zu ernähren.
Dank eines "topologischen Defekts"
"Im Inneren der Hydra sind die Aktinfilamente parallel entlang der Fuß-Kopf-Achse angeordnet und konvergieren am Kopf, um einen 'topologischen Defekt' im Aktinnetzwerk zu bilden", erklärt Yamini Ravichandran, Postdoktorandin im Team von Aurélien Roux und Erstautorin der Studie. "Unsere Arbeit zeigt, dass diese topologischen Defekte in der Aktinordnung eine zentrale Rolle bei der Regeneration des Kopfes spielen und als mechanische Organisatoren wirken."
Durch einfachen Druck
Durch die Anwendung eines leichten Drucks entlang des abgetrennten Körpers der Hydra mithilfe eines Agar-Gels über vier Tage hinweg induzierten die Wissenschaftler zwei topologische Defekte, die zur Bildung von zwei Köpfen führten. Um zu überprüfen, ob ein Defekt einen Kopf erzeugt, wollten die Forscher diese Defekte entfernen und beobachten, ob das Tier sich noch regenerieren konnte. Es gibt jedoch eine schwer zu überwindende Einschränkung, nämlich die Topologie.
Parallele Linien auf einer Kugel erzeugen immer zwei Defekte: die Pole der Kugel. Um sie zu eliminieren, führt ein Druck parallel zu den Aktinfilamenten dazu, dass sie verschmelzen und verschwinden, wodurch ein Gewebe in Form eines "Donuts" entsteht, das keinen Kopf regenerieren kann und schließlich verhungert. Die Topologie des "Donuts" ist einzigartig, da sie die einzige ist, die keine Defekte akzeptieren kann und in der Biologie nicht vorkommt.
Die Hydra ist ein wertvolles Studienmodell aufgrund ihres leicht beobachtbaren Aktinnetzwerks, aber die erzielten Ergebnisse sind weit über diese Art hinaus anwendbar. Bislang ist nicht gut verstanden, wie Zellen und Gewebe die Kräfte koordinieren, die Organismen formen. Das vorgeschlagene Konzept ist, dass die Genetik das Schicksal der Zellen bestimmt, die wiederum die Kräfte vorgeben, die die Gewebe formen.
Diese Studie zeigt, dass genetische Faktoren und die Mechanik der Gewebe gekoppelt sind – und somit auf der gleichen Ebene wirken – um einen korrekten Kopf bei der Hydra zu bilden. Wie Aurélien Roux betont, "bieten diese Ergebnisse neue Einblicke in die mechanischen Signale, die die Reparatur und Regeneration von Geweben leiten, mit potenziellen Auswirkungen auf das Verständnis dieser Prozesse in anderen Organismen."
Fluoreszenzmikroskopie-Video, das die Regeneration eines abgetrennten Gewebes in eine zweiköpfige Hydra zeigt. Die geordneten Muskelfasern sind sichtbar.
Fluoreszenzmikroskopie-Video, das die Bildung eines abgetrennten Gewebes in einen Ring zeigt, der sich nicht regeneriert. Die geordneten Muskelfasern sind sichtbar.