Βλέποντάς το να αναπτύσσεται: δημιουργώντας ένα ψηφιακό έμβρυο Understand article

Μετάφραση από Αναστασία Πεχτελίδου (Anastasia Pechtelidou), Εκπαιδευτικός Β/θμιας Εκπαίδευσης, Βιολόγος-ΜΔΕ Τι θα λέγατε εάν μπορούσατε να γίνετε μάρτυρες της ανάπτυξης…

Φανταστείτε ότι το Google Earth™ παίρνει νέες φωτογραφίες από δορυφόρο σε τακτά χρονικά διαστήματα, έτσι ώστε να μπορείς- όχι μόνο να παρατηρήσεις ολόκληρο τον πλανήτη και να μεγεθύνεις πάνω σε διάφορες χώρες ή πόλεις- αλλά και να γυρίσεις πίσω στη σειρά των φωτογραφιών και να δεις τι άλλαξε τα τελευταία 10 ή 20 χρόνια. Αντικαταστήστε τώρα τη Γη με ένα αναπτυσσόμενο έμβρυο ψαριού-ζέμπρα, συγκεντρώστε μερικές εκατοντάδες χιλιάδες στιγμιότυπα σε διάστημα 24 ωρών, και θα έχετε αυτό που οι επιστήμονες στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL)^w1 αποκαλούν «ψηφιακό έμβρυο».

Ο βιοφυσικός Philipp Keller, οι βιολόγοι Annette Schmidt και Jochen Wittbrodt και ο φυσικός Ernst Stelzer συνεργάστηκαν για να αναπτύξουν μια τεχνική απόκτησης μιας τρισδιάστατης απεικόνισης των πρώτων 24 ωρών ανάπτυξης ενός εμβρύου του ψαριού-ζέμπρα (Keller et al., 2008). Όλα ξεκίνησαν στην αρχή του 2006, οπότε ένας υπότροφος πρότεινε στον Philipp να τοποθετήσει απλά ένα έμβρυο στο μικροσκόπιο και να εντοπίσει όλα τα κύτταρα. Με αφορμή αυτή τη συζήτηση, ο Philipp έριξε ξανά μια ματιά στη μικροσκοπία φωταύγειας σε μονό επίπεδο (single-plane illumination microscopy- SPIM) (βλ. glossary για όλους τους όρους με πλάγια γράμματα), μια τρισδιάστατη τεχνική απεικόνισης που είχε αναπτυχθεί προηγούμενα από την ομάδα του Ernst. Προσάρμοσε τις βασικές αρχές της SPIM στην παρακολούθηση της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Ως αποτέλεσμα δημιουργήθηκε η μικροσκοπία φθορισμού ψηφιακής σάρωσης με ακτίνες λέιζερ digital scanned laser light sheet fluorescent microscopy (DSLM).

Επειδή τα κύτταρα σε ένα αναπτυσσόμενο έμβρυο διαιρούνται και κινούνται συνεχώς, τα στιγμιότυπα πρέπει να λαμβάνονται σε πολύ μικρά διαστήματα ώστε να εντοπίζονται οι αλλαγές. Αυτό απαιτεί ένα μικροσκόπιο που συνδυάζει την υψηλή ταχύτητα απεικόνισης με την υψηλή ποιότητα εικόνας, ώστε να διακρίνει κανείς κύτταρα σε πολύ κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Προκειμένου, φυσικά, να παρακολουθήσει κανείς την εμβρυϊκή ανάπτυξη, πρέπει τα κύτταρα να διατηρηθούν ζωντανά και υγιή σε μια περίοδο μιας ή δύο ημερών, και το μικροσκόπιο να μη βλάψει τη φθορίζουσα χρωστική που χρησιμοποιείται για το μαρκάρισμα των κυττάρων.

Η λύση που δόθηκε ήταν να χρησιμοποιηθεί μια πολύ λεπτή ακτίνα λέιζερ, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η ζημιά τόσο στη χρώση όσο και στο έμβρυο. Αυτή η ακτίνα διαπερνάει το έμβρυο κατά την παρατήρηση, διεγείροντας τη φθορίζουσα χρωστική στα κύτταρα και προκαλώντας την εκπομπή φωτός. Η ακτίνα λέιζερ κινείται σε κάθετο άξονα και το φως που εκπέμπεται από το δείγμα λόγω φθορισμού, σε γωνία 90° ως προς την ακτίνα, ανιχνεύεται από μια κάμερα, παράγοντας μια εικόνα τομής πάχους μόλις κάποια χιλιοστά του χιλιοστομέτρου (βλέπε βίντεο 1^w2). Έπειτα, το έμβρυο μετακινείται οριζοντίως κατά ένα πολύ μικρό βήμα, και σαρώνεται η επόμενη τομή. Μόλις έχει γίνει σάρωση ολόκληρου του εμβρύου από μια οπτική γωνία, αυτό περιστρέφεται κατά 180° και σαρώνεται ξανά, ώστε αργότερα να συντεθεί μια πλήρης τρισδιάστατη εικόνα. Καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας το έμβρυο παραμένει ζωντανό και συνεχίζει να αναπτύσσεται, οπότε οι τομές μπορούν να επαναληφθούν περιοδικά στο ίδιο έμβρυο και να συγκριθούν, ώστε να εντοπιστούν οι αλλαγές. Οι επιστήμονες του EMBL «τεμάχισαν» τα έμβρυα του ψαριού-ζέμπρα κάθε 60 ή 90 δευτερόλεπτα σε ένα διάστημα 24 ωρών, λαμβάνοντας περίπου 400000 εικόνες ανά έμβρυο.

Η επόμενη πρόκληση ήταν να επινοηθεί ένας τρόπος για να αναλυθούν όλα τα δεδομένα όγκου τριών Tbytes για κάθε έμβρυο. Οι επιστήμονες διάλεξαν μια αυτοματοποιημένη προσέγγιση: χρησιμοποίησαν ταυτόχρονα παράλληλη συστοιχία ηλεκτρονικών υπολογιστών, τόσο στο EMBL της Χαϊδελβέργης όσο και στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (Karlsruhe Institute of Technology) στη Γερμανία^w3. «Σε κάθε υπολογιστή δίνεται ένα στιγμιότυπο του εμβρύου, ώστε να αναζητήσει σε αυτήν την εικόνα τους κυτταρικούς πυρήνες», εξηγεί ο Philipp. Κάθε πυρήνας εκπροσωπεί ένα κύτταρο, άρα με συνδυασμό των πληροφοριών για όλες τις τομές, οι επιστήμονες μπορούν να παράγουν το ψηφιακό έμβρυο: μια οπτική αναπαράσταση όλων των εμβρυϊκών κυττάρων, όπου φαίνεται το πού βρίσκονται την κάθε στιγμή, πού μετακινούνται την επόμενη και το πότε και πού διαιρούνται. Το αποτέλεσμα είναι ένα τρισδιάστατο βίντεο του αναπτυσσόμενου εμβρύου με χρονοδιαλείμματα.

Αυτό επέτρεψε στον Philipp, την Annette και τον Jochen να ρίξουν φως στα διαφορετικά στάδια της εμβρυϊκής ανάπτυξης του ψαριού-ζέμπρα. Σε πολύ πρώιμο στάδιο το έμβρυο του οργανισμού αυτού είναι μια ομάδα κυττάρων που «κάθονται» στην κορυφή του λεκιθικού ασκού (την πηγή θρεπτικών του εμβρύου). Στην αρχή τα κύτταρα διαιρούνται σαν ένα κύμα που κινείται από το κέντρο προς όλες τις κατευθύνσεις, όπως ένα κυματισμός στο νερό. Η ανασύσταση έδειξε ότι- μετά τις πρώτες εννέα κυτταρικές διαιρέσεις- το πρότυπο της διαίρεσης μετατρέπεται σε ένα κύμα που κινείται από το κέντρο προς μία μόνο κατεύθυνση, και έπειτα διαχωρίζεται και συνεχίζει γύρω από την περιφέρεια σε δύο ημικύκλια (βλ. παρακάτω εικόνα και το βίντεο 10^w2). Η γραμμή μεταξύ των δύο αυτών ημικυκλίων θα αποτελέσει αργότερα το σωματικό άξονα του ζώου, καθορίζοντας τη συμμετρία του σώματος. Έτσι, οι επιστήμονες ανακάλυψαν πως ο άξονας συμμετρίας στο ψάρι-ζέμπρα καθορίζεται σε πιο πρώιμο στάδιο κατά την ανάπτυξή του από ό,τι είχε αρχικά υποτεθεί, σε μια περίοδο όπου τα μητρικά γονίδια (στη μορφή αποθεματικών mRNA στο αβγό) χρησιμοποιούνται απλά ακόμη για την παραγωγή πρωτεϊνών.

Οι ερευνητές επίσης μελέτησαν τη γαστριδίωση, τη διαδικασία κατά την οποία τα κύτταρα από την αρχική μονή εξωτερική στιβάδα του εμβρύου μεταναστεύουν στο εσωτερικό, ώστε να σχηματίσουν τις υπόλοιπες δύο βλαστικές στιβάδες, και όλες μαζί να δώσουν τελικά τους διαφορετικούς τύπους ιστών. «Χρειάζονται αρκετές σελίδες σε ένα βιβλίο για να περιγράψεις αυτήν τη διαδικασία, αλλά όταν βλέπεις τις εικόνες από το ψηφιακό έμβρυο, ξαφνικά είναι τόσο ευκολότερο να καταλάβεις,» λέει η Annette. Επιπλέον, αυτή και οι συνεργάτες της ανακάλυψαν ότι τα βιβλία στην πραγματικότητα κάνουν λάθος.

Υπήρχε μια διαρκής, κάποιες φορές ένθερμη, αντιπαράθεση στον τομέα αυτό από τη δεκαετία του 1980, σχετικά με το πώς τα κύτταρα μεταναστεύουν για να δημιουργήσουν αυτές τις στιβάδες. Η επικρατούσα βιβλιογραφική άποψη ήταν ότι τα κύτταρα υποστρέφονται- δηλαδή, μεταναστεύουν σε ένα άνοιγμα του εμβρύου και κυλούν ώστε να σχηματίσουν ένα στρώμα στην κάτω πλευρά, σαν ένα σκουφάκι κολύμβησης που καλύπτει το κεφάλι μας εσωτερικά. Ωστόσο, μερικοί επιστήμονες υποστήριζαν ότι μεμονωμένα κύτταρα της εξωτερικής στιβάδας απλά καταδύονται ή εισέρχονται, ακριβώς από το σημείο όπου βρίσκονται, ώστε να σχηματίσουν ένα στρώμα από κάτω.

«Πραγματικά επιλύσαμε το θέμα πολύ όμορφα,» λέει ο Jochen. «Τελικά όλοι είχαν δίκιο!» Εξαρτάται από το πού ψάχνει κανείς. Στη μια πλευρά του εμβρύου τα κύτταρα υποστρέφονται, ενώ στην άλλη πλευρά εισέρχονται (βλ. βίντεο 16^w2). Η διαφωνία είχε ξεκινήσει επειδή διαφορετικοί επιστήμονες έψαχναν σε διαφορετικά τμήματα του εμβρύου. Εφόσον δε μπορούσαν να ξετυλίξουν την όλη διαδικασία, ήταν αδύνατο να επισημάνουν ακριβώς ποιο τμήμα μελετούσαν. Ξεπερνώντας αυτά τα εμπόδια, οι επιστήμονες του EMBL μπόρεσαν να αποκαλύψουν την αλήθεια.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης το ψηφιακό έμβρυο ως ένα αναπτυξιακό αποτύπωμα, ώστε να ανακαλύψουν από πού προέρχονται τα κύτταρα που συνιστούν ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό. Σαν ένα πρώτο παράδειγμα χρησιμοποίησαν το μάτι. Στην ψηφιακή αναπαράσταση, σε προχωρημένο αναπτυξιακό στάδιο (πχ. προς το τέλος του 24-ωρου βίντεο), οι επιστήμονες σήμαναν τα κύτταρα που ήξεραν ότι εμπλέκονται στο σχηματισμό του ενός ματιού του ψαριού-ζέμπρα. Έπειτα παρακολούθησαν τα κύτταρα σε πρωθύστερο χρόνο, ώστε να βρουν από πού προέρχονται (βλ. βίντεο 11^w2).

Οι επιστήμονες κοινοποίησαν τα ψηφιακά τους βίντεο στο διαδίκτυο^w2, μαζί με εργαλεία ανάλυσης δεδομένων μικροσκοπίας για άλλους επιστήμονες. Και μετά τι; Με το Google Earth, εκτός από το ότι βλέπουν ολόκληρο τον πλανήτη και μεγεθύνουν σε διάφορα μέρη, οι χρήστες μπορούν να προσθέσουν τα δικά τους σχόλια και επισημάνσεις και να δουν αυτά που προστέθηκαν από άλλους. Παρομοίως, ο Philipp, η Annette, ο Jochen και ο Ernst οραματίζονται ότι τα ψηφιακά τους έμβρυα θα γίνουν αυτό που ονομάζουν «εικονικά έμβρυα»: πηγές όπου άλλοι επιστήμονες θα μπορούν να βλέπουν την αναπτυξιακή διαδικασία, να μεγεθύνουν για περισσότερες πληροφορίες και να προσθέτουν τα δικά τους σχόλια και αποτελέσματα. Στο απώτερο μέλλον, θα ήθελαν να επεκτείνουν το πεδίο του ψηφιακού εμβρύου και σε άλλα είδη, μιας και αυτό θα τους επιτρέψει να συγκρίνουν ποσοτικά την ανάπτυξη των διαφόρων εμβρύων, προσφέροντας πολύτιμη ώθηση στη μελέτη της εξέλιξης. Το ψηφιακό έμβρυο έχει πολλά περιθώρια ανάπτυξης, και καθώς πολλοί είναι αυτοί που είναι πρόθυμοι να βοηθήσουν, φαίνεται πως έχει μια πολλά υποσχόμενη ζωή μπροστά του.

Το ψάρι-ζέμπρα ως ένας πρότυπος οργανισμός

Για λόγους ηθικής, δεν είναι εύκολο να μελετήσουμε την πρώιμη (εμβρυϊκή) ανάπτυξη στον άνθρωπο. Προς διευκόλυνσή μας όμως, η διαδικασία είναι παρόμοια σε όλα τα σπονδυλωτά, έτσι άλλα ζώα χρησιμοποιούνται ως μοντέλα για την κατανόηση της δικής μας ανάπτυξης. Όμως γιατί το ψάρι-ζέμπρα; Τα οφείλουμε όλα στον George Streisinger, έναν Ούγγρο βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον στις Η.Π.Α. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, είχε την ιδέα να εφαρμόσει τις μοριακές τεχνικές, που είχε ήδη χρησιμοποιήσει στη μελέτη των ιών, στην εξιχνίαση της γενετικής και της ανάπτυξης των σπονδυλωτών. Όντας ψαράς από χόμπι, επέλεξε να δουλέψει πάνω στο ψάρι-ζέμπρα, το οποίο γνώριζε ότι είναι εύκολο στη διατήρηση και την αναπαραγωγή. Υπάρχει μια πλειάδα πρακτικών λόγων που κάνουν το ψάρι-ζέμπρα να είναι ένα ελκυστικό μοντέλο πρότυπου οργανισμού: πρώτον, είναι αρκετά μικρό ώστε να διατηρείται σε μεγάλο αριθμό που απαιτείται για γενετικές μελέτες, αλλά και αρκετά μεγάλο για κλασικούς εμβρυολογικούς χειρισμούς, όπως μεταμοσχεύσεις.

Έχει σχετικά μικρή διάρκεια γενιάς (3-4 μήνες), παράγει μεγάλο αριθμό εμβρύων (100-200 ανά ζευγάρωμα) και δίνει εύκολη πρόσβαση σε όλα τα αναπτυξιακά στάδια, λόγω εξωτερικής γονιμοποίησης. Επειδή τα έμβρυα είναι διαφανή και αναπτύσσονται γρήγορα, με όλες τις βασικές δομές ενός ενήλικου ψαριού να είναι υπαρκτές μετά από τρεις ημέρες, μπορείς εύκολα να μελετήσεις την ανάπτυξή τους- με χρήση είτε απλού οπτικού μικροσκοπίου είτε πιο πολύπλοκων μεθόδων, όπως περιγράφονται στο παρόν άρθρο. Επιπρόσθετα, το γονιδίωμα του ψαριού-ζέμπρα έχει προσφάτως αλληλουχηθεί και συγκεκριμένες γενετικές σειρές είναι διαθέσιμες, προσφέροντας μια μοναδική ευκαιρία να μελετήσει κανείς όχι μόνο την εμβρυολογία, αλλά και τις γενετικά κληρονομούμενες ασθένειες καθώς και τη γενετική που κρύβει η αναπτυξιακή Βιολογία. Το όνειρο του Streisinger έγινε πραγματικότητα.

References

• Keller PJ, Schmidt AD, Wittbrodt J, Stelzer EH (2008) Reconstruction of zebrafish early embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science 322: 1065-9. doi: 10.1126/science.1162493

Web References

• w1 – Για να μάθετε περισσότερα για το EMBL, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας, δείτε: www.embl.org
• w2 – Η ιστοσελίδα του Ψηφιακού Εμβρύου περιλαμβάνει βίντεο με την ανάπτυξη του εμβρύου του ψαριού-ζέμπρα: www.digital-embryo.org

  • Το βίντεο 1 είναι μια σχηματική αναπαράσταση της αρχής λειτουργίας της μικροσκοπίας DSLM.

  • Τα βίντεο 2 και 3 δείχνουν την ανάπτυξη ενός εμβρύου του ψαριού-ζέμπρα κατά τη διάρκεια των πρώτων 24 ωρών.

  • Το βίντεο 10 απεικονίζει τη διακοπή συμμετρίας στις κυτταρικές διαιρέσεις μετά τους εννέα κυτταρικούς κύκλους, και τον πρώιμο καθορισμό του σωματικού άξονα του εμβρύου.

  • Το βίντεο 11 δείχνει το μεταναστευτικό μονοπάτι των κυττάρων που σχηματίζουν το πρώιμο μάτι του ψαριού-ζέμπρα.

  • Το βίντεο 16 απεικονίζει πώς η υποστροφή και η εισχώρηση παίζουν και οι δύο ρόλο στη γαστριδίωση του ψαριού-ζέμπρα.

• w3 – Για περισσότερες πληροφορίες για το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης, δείτε: www.kit.edu

Resources

• Patterson L (2010) Getting ahead in evolution. Science in School 14: 16-20.
• Hodge R (2006) A search for the origins of the brain. Science in School 2: 68-71.
• Για μια συλλογή διδακτικών και ερευνητικών πηγών σχετικά με την εμβρυϊκή ανάπτυξη, δείτε: http://people.ucalgary.ca/~browder/virtualembryo

Institutions

Author(s)

Η Sonia Furtado γεννήθηκε στο Λονδίνο της Μ. Βρετανίας και μετακόμισε στην Πορτογαλία σε ηλικία τριών ετών. Ενώ φοιτούσε για το πτυχίο Ζωολογίας στο Πανεπιστήμιο της Λισαβόνας, εργάστηκε στο εκπαιδευτικό τμήμα του Ζωολογικού κήπου της Λισαβόνας. Εκεί ανακάλυψε πόσο της αρέσει να μιλάει στους ανθρώπους για την επιστήμη. Πήρε μεταπτυχιακό δίπλωμα στην επικοινωνία της Επιστήμης από το Imperial College του Λονδίνου, και τώρα εργάζεται ως υπεύθυνη τύπου στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας.

Review

Το άρθρο αυτό περιγράφει πρωτοποριακές εξελίξεις στην αναπτυξιακή βιολογία. Το ενδεχόμενο αποτέλεσμά τους- ένα εικονικό έμβρυο που θα μπορούσε να κοινοποιηθεί στην επιστημονική κοινότητα και να σχολιαστεί από διάφορους επιστήμονες, όπως ακριβώς προστίθενται φωτογραφίες και σχόλια στο Google Earth – είναι ένα λαμπρό παράδειγμα για το πώς τα ερευνητικά ευρήματα μπορούν να διαδοθούν, να σχολιαστούν και ίσως να επεκταθούν. Αυτό θα μπορούσε πολύ καλά να συνδεθεί με την ιδέα περί παγκόσμιας επιστήμης και επικοινωνίας που εμφανίζεται σε μερικά προγράμματα σπουδών.

Υπάρχουν πολλά σε αυτό το άρθρο που θα ενθουσίαζαν κάποιους παθιασμένους φοιτητές βιολογίας. Η χρήση εξεζητημένης μικροσκοπίας στην ώθηση των επιστημονικών συνόρων μπορεί να εγείρει συζητήσεις σχετικά με το πώς η τεχνολογία καθυστερεί τις ανακαλύψεις, ή σχετικά με το πόση επιστημονική «γνώση» είναι εφήμερη και αβέβαιη, εξαρτώμενη από την τρέχουσα τεχνολογία.

Η χρήση εμβρύων του ψαριού-ζέμπρα θα μπορούσε επίσης να εγείρει ηθική αντιπαράθεση. Είναι σωστό να πειραματιζόμαστε πάνω σε έμβρυα ψαριού; Τι γίνεται με τα έμβρυα θηλαστικών; Τι γίνεται με τα ανθρώπινα έμβρυα; Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε συζήτηση κάποιων νομικών προεκτάσεων αυτού του τύπου έρευνας.

Γενικά, αυτό το άρθρο μπορεί να είναι χρήσιμο σε δασκάλους της βιολογίας, ώστε να επεκτείνουν τις δικές τους γνώσεις. Μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως επιπλέον βοήθημα- πιθανόν για μαθητές που παίρνουν μέρος σε ολυμπιάδες βιολογίας ή σε αυτούς που δίνουν συνέντευξη για πανεπιστημιακές θέσεις. Επιπρόσθετα, το μήκος του βίντεο είναι χρήσιμο στην απεικόνιση της εμβρυϊκής ανάπτυξης για οποιαδήποτε μαθήματα αυτού του αντικειμένου.

Κατάλληλες ερωτήσεις κατανόησης περιλαμβάνουν:

• Περιγραφή και συζήτηση ηθικών θεμάτων που εμπλέκονται στην εργασία των επιστημόνων.
• Προτάσεις για το πώς η μελέτη πάνω σε έμβρυα ψαριού μπορεί να συσχετιστεί με τη θεραπεία ανθρωπίνων ασθενειών στο μέλλον.

Sue Howarth, Ηνωμένο Βασίλειο

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF