Keho syntyy tuuppimalla ja kiskomalla

Hedelmöitynyt munasolu on jakaantunut kohdussa viidesti ja koostuu nyt 16 solusta. Edessä on ongelmallinen vaihe.

Solumöykky on pyöreä kuin pallo, eikä siitä pysty päättelemään suuntaa: ei voida sanoa, mikä on ylä- tai alaosa tai etu- tai takapuoli. Yksikään soluista ei tiedä, pitäisikö niiden siirtyä solumöykyn laidalle muodostaakseen pään vai pitäisikö niistä tulla osa selkää, mahaa tai jalkoja.

Aikaa ei kuitenkaan ole hukattavana, sillä jos symmetriaa ei saada rikottua ennen solujen seuraavaa jakaantumista, alkio jää muodottomaksi möykyksi ja seuraa keskenmeno.

Onneksi tässä vaiheessa apuun rientävät solujen väliin ujuttautuneet pikkuruiset vesipisarat, jotka yhtyessään muodostavat yhä isompia pisaroita.

Kun pisara alkaa kasvaa kokoa solujen välissä, se työntää niitä ja pakottaa ne siirtymään alkion toiselle laidalle. Näin solumöykky on saanut etupuolen, joka sijaitsee pisaraa vasten, ja takapuolen, joka sijaitsee solumöykyn ulkolaidalla.

Nyt möykky ei enää ole symmetrinen, ja solut ovat saaneet tiedon siitä, mikä niiden paikka alkiossa on. Seuraavaksi niistä voi alkaa kehittyä yksilö.

Vasta aivan viime vuosina on saatu selville, kuinka tärkeä merkitys työntämisellä, vetämisellä ja muilla mekaanisilla vaikutuksilla on alkion ja kehon kehitykseen.

Siinä missä vesipisara tuuppaa osan soluista paikoilleen, toiset solut kehittävät itselleen lonkeroita, joilla he kiskovat itsensä paikoilleen. Kun aivosolut kasvattavat haarakkeita luodakseen uusia yhteyksiä keskenään, ne törmäävät kirjaimellisesti muiden solujen muodostamaan seinään, joka tukkii niiden tien ja pakottaa valitsemaan juuri tietyn reitin.

Kaikki solut eivät kuitenkaan noudattele mekaniikan lakeja. Syöpäsolut eivät reagoi paineeseen, joka yleensä jarruttaa solujen kasvua, ja se tekee niistä hengenvaarallisia.

Vesipisarat tuuppivat soluja

Ranskalainen biologi Jean-Léon Maître Sorbonnen yliopistosta Pariisista havaitsi vuonna 2019, että hiiren alkion soluja liikuttelivat vesipisarat. Hän oli tuolloin tutkimassa alkioita voimakkaalla mikroskoopilla ja havaitsi, miten kahden naapurisolun kalvojen väliin ilmaantui säännöllisin välein pieniä onteloita, jotka hävisivät sitten muutamassa minuutissa.

Kun hän kylvetti alkiot vedessä, joka oli värjätty itsevalaisevalla aineella, hän näki, että ontelot imivät ympäristöstä vettä. Kun ontelot sitten taas kutistuivat ja katosivat, värjääntynyt vesi siirtyi lähellä oleviin onteloihin, jotka olivat vasta muodostumassa.

Lähemmät tutkimukset paljastivat, että ontelot syntyivät, kun naapurisoluja yhteen sitovat proteiinit jostain syystä irrottivat otteen toisistaan ja päästivät vettä tihkumaan solujen väliseen tilaan. Kun proteiinit sitten taas sitoutuivat toisiinsa ja vetivät solut tiukemmin yhteen, vesi puristui pois niiden välistä.

Vettä näytti imeytyvän ympäristöstä ensin solujen väliin, minkä jälkeen pisarat kokoontuivat eri reittejä vähitellen samaan onteloon. Ontelo kasvoi pikku hiljaa suuremmaksi. Muutamassa tunnissa ontelo täytti koko alkion toisen puolen ja rikkoi solupallon symmetrisen pyöreän muodon.

Tutkijat olivat jo pitkään tienneet, että tämä vaihe ratkaisi sen, mistä alkion osasta kehittyi selkä tai maha, mutta vasta Jean-Léon Maîtresin kokeet auttoivat ymmärtämään, miten epäsymmetria syntyi.

Alkio saa pään ja pyrstön

Etu- ja takaosan selviäminen ei kuitenkaan riitä määrittelemään alkion muotoa. Alkion solujen on myös tiedettävä, mistä niistä on määrä kehittyä ylä- ja mistä alaosa – esimerkiksi pää ja pyrstö. Tämän prosessin puolestaan selvitti Kalifornian yliopiston Santa Barbaran kampuksen biofyysikko Otger Campàs vuonna 2017.

Campàs sekoitti magneettisia nanohiukkasia öljyyn ja ruiskutti pieniä tippoja emulsiota seeprakalan nuoreen alkioon, jolle oli vasta muodostunut etu- ja takapuoli. Magneettikentän avulla Campàs sai öljypisaran muuttamaan muotoaan hallitusti niin, että hän pystyi valitsemaan, mitä ympäröivistä soluista magneettinen pisara kulloinkin työnsi.

Hän havaitsi, että magneettinen pisara pystyi helposti työntämään soluja siinä osassa alkiota, josta muutaman päivän kuluttua muotoutui pyrstö. Osan solut kelluivat löyhästi toistensa rinnalla. Sen sijaan alkion toisessa päässä, josta myöhemmin muodostui kalan pää, solut olivat tiukemmin kiinni toisissaan ja vastustivat pisaran työntöliikettä.

Otger Campàs tuli siihen tulokseen, että tuntematon mekanismi sai solut irrottamaan otteensa toisistaan alkion toisessa päässä ja ohjasi siten pyrstöä kasvamaan juuri siihen suuntaan.

Jotain vastaavaa tapahtuu, kun aivot myöhemmin alkionkehityksen aikana tai jopa aikuisiällä jatkavat kehitystään ja hermosolut luovat toisiinsa yhteyksiä muodostaen mutkikkaan verkoston. Se vaatii, että hermosolu kasvattaa jopa 20 senttiä pitkän haarakkeen aivojen hermosolukimppujen läpi ja ohi ja muodostaa hermoliitoksen juuri oikeaan paikkaan.

Kristian Franze Cambridgen yliopistosta Britanniasta kutsuu itseään hermomekaanikoksi, ja hän ryhtyi vuonna 2019 selvittämään, miten hermosäikeet löytävät oikean tien. Sen ratkaisemiseksi hänen oli ensin kehitettävä erityismikroskooppi, jolla pystytään samanaikaisesti näkemään hermosolun haarakkeen kasvu ja tunnustelemaan aivokudoksen tiiviyttä.

Mikroskooppi mittasi kudoksen tiiviyttä ja jäykkyyttä tunnustelemalla sitä äärimmäisen ohuilla ja taipuisilla jousilla. Tutkimuksissa havaittiin, että osa aivokudoksesta muuttui kovemmaksi noin 18 minuuttia ennen haarakkeen kasvamista sinne asti.

Lisätutkimukset osoittivat, että kudos muuttuu tiiviimmäksi, kun toisentyyppiset aivosolut, gliasolut eli hermotukisolut alkavat jakaantua kiivaasti muodostaen jäykän ja lähes läpitunkemattoman seinämän. Tällöin hermolla ei ole muuta mahdollisuutta kuin kasvaa seinämää pitkin, kunnes se mahdollisesti kohtaa toisen muurin ja sen on pakko vaihtaa kurssia.

Kristian Franze todisti, että jos hän ruiskutti aivoihin solunjakaantumista ehkäiseviä kemikaaleja, tiivistyminen jäi tapahtumatta. Tällöin mikään ei enää ohjannut hermosolujen haarakkeita, eivätkä ne löytäneet perille.

Sydänsolut kiskovat toisiaan

Osassa prosesseista kahden solun väliset mekaaniset voimat ovat havaittavissa selvästi. Tämä koskee esimerkiksi sydämen alkuvaiheen kehitystä. Prosessia on tutkittu banaanikärpäsen alkioilla, joissa kaksi solukerrosta asettuu päällekkäin muodostaakseen sydämen putkimaisen aihion.

Sydämen muodostumiselle on ratkaisevan tärkeää, että solukerrokset asettuvat täsmällisesti niin, että kerrokset eivät limity hiukkaakaan. Vuonna 2020 Timothy Saunders Singaporen kansallisesta yliopistosta sai selville, miten solut onnistuivat näin tarkassa puuhassa.

Saunders on mekaanisen biologian asiantuntija, ja hän käytti tekniikoita, jotka saivat tietyt solut loistamaan fluoresoivaa valoa mikroskoopissa tarkasteltuna. Tutkimukset osoittivat, että solukerrosten solut kasvattivat lihassäikeiden kaltaisia pitkiä haarakkeita, joilla ne tarttuivat toisiinsa ja vetivät kerrokset kohdakkain.

Kaikki ei aina sujunut näin yksinkertaisesti. Jos solukerrokset eivät olleet aluksi aivan kohdakkain, yhden kerroksen solu ei välttämättä heti tiennyt, pitäisikö sen ottaa kiinni toisesta kerroksesta viistosti oikealla vai vasemmalla olevasta solusta.

Tutkimukset osoittivat, että kummassakin kerroksessa naapurisolut tuottavat aaltoilevasti Fas3-nimistä proteiinia, joka toimii eräänlaisena soluliimana. Tuotantohuiput ovat neljän minuutin välein, minkä jälkeen tuotanto laskee. Tiettynä ajankohtana yhden kerroksen solu voi siis tuottaa runsaasti Fas3-molekyyliä ja sillä voi olla ulokkeita, joilla se pitää kiinni kahdesta toisen kerroksen solusta.

Kuitenkin vain toinen näistä kahdesta toisen kerroksen mahdollisesta vastinsolusta tuottaa yhtä paljon soluliimaa kuin ensimmäisen kerroksen vastinpari ja pystyy pitämään siitä kiinni. Kun sopivat parit ovat löytyneet, solut kiskovat toisensa lähemmäs ulokkeidensa säikeillä ja asettuvat päällekkäin.

Jos eri solukerrosten vastakkaisista soluista toinen tuottaa paljon ja toinen vähän Fas3-soluliimaa, niiden ote toisistaan kirpoaa. Näin sydämen aihio varmistaa, että solukerrokset päätyvät täsmälleen päällekkäin.

Venytys saa ihosolut jakautumaan

Solut voivat reagoida mekaaniseen vaikutukseen eri tavoin. Ihon kantasolut alkavat esimerkiksi jakaantua, kun niitä venytetään. Tämä näkyy muun muassa silloin, kun ihminen lihoo ja hänen vatsansa kasvaa. Vatsanahka venyy, jotta iho ei repeäisi, ja syntyy uusia ihosoluja kasvaneen vatsan peittämiseksi.

Kantasolubiologi Mariaceleste Aragona, joka parhaillaan työskentelee Kööpenhaminan yliopistossa, osoitti vuonna 2020 hiirikokeessa, että kantasolut alkavat jakaantua noin vuorokauden kuluttua siitä, kun ihoa on alettu venyttää.

Tähän mennessä ei ole saatu tarkkaan selville niitä biologisia mekanismeja, joiden vuoksi mekaaniset soluihin kohdistuvat voimat saavat solut esimerkiksi jakaantumaan. Ilmiöön ovat perehtyneet esimerkiksi kiinalaiset tutkijat, jotka vuonna 2015 yrittivät selvittää, miksi niveliin syntyy rustoa, kun luut altistetaan mekaaniselle rasitukselle.

Ruston muodostuminen on hyvin tarkoituksenmukainen reaktio, sillä rusto toimii iskunvaimentimena ja voi vähentää liikuntaelimistön vammoja ankarassa fyysisessä rasituksessa.

Kiinalaistutkijoille selvisi, että kun luun kantasolut altistetaan paineelle, paine saa kantasolujen tumissa kaksi geeniä, Rac1 ja RhoA, toimimaan aktiivisemmin. RhoA:n lisääntynyt aktiivisuus kiihdyttää uusien luusolujen syntyä, kun taas Rac1:n aktivoituminen näyttää käynnistävän uuden ruston tuotannon.

Rustonmuodostumisessa mekaaniset voimat kulkevat selvästi käsi kädessä geenien toiminnan kanssa, ja juuri tämä seikka tekee luultavasti syöpäsoluista niin vaarallisia kuin ne ovat.

Syöpäsolut vähät välittävät muista soluista

Kaikissa elimistön terveissä soluissa on kasvunrajoitteeksi kutsuttu mekanismi. Se merkitsee sitä, että kun solut kasvavat ja ennen pitkää väistämättä joutuvat lähelle toisiaan, mekaaninen vaikutus alkaa hillitä niiden solunjakaantumisprosessia.

Näin elimistö pyrkii estämään, etteivät kahden eri kudostyypin tai elimen solut kasva yhteen, vie toisiltaan tilaa ja vahingoita toisiaan. Kasvua rajoittavat pRb- ja p53-geenit, jotka mekaaninen vaikutus aktivoi. Kyseiset geenit tunnetaan ikävä kyllä myös onkogeeneinä eli geeneinä, jotka mutatoituessaan aiheuttavat syöpää.

Kun mutaatiot salpaavat pRb- tai p53-geenin toiminnan, solun kasvunrajoitemekanismi heikkenee tai kytkeytyy pois päältä. Mikään ei enää hillitse solun kasvua, kun se törmää muihin soluihin. Monissa syöpäsolutyypeissä on mutaatioita juuri näissä kahdessa geenissä, minkä vuoksi syöpäkasvaimet pääsevät leviämään kehossa aggressiivisesti.

Tutkijat pohtivatkin nyt sitä, voitaisiinko tietoa solujen mekaanisesta vaikutuksesta toisiinsa käyttää hyväksi uusien syöpähoitojen kehittämisessä. Ehkä jonain päivänä on mahdollista käyttää laitteita tai instrumentteja, jotka työntävät, painavat tai vetävät sairaita soluja niin, että ne alkavat käyttäytyä tarkoituksenmukaisemmin. Tai elimistö saadaan toimimaan täydellisesti vain tiputtamalla pari tippaa vettä oikeaan aikaan oikeaan paikkaan.