Der mysteriöse Tanz der Grillenembryos

Im Juni trafen sich 100 Fruchtfliegenforscher auf der griechischen Insel Kreta zu ihrem alle zwei Jahre stattfindenden Treffen. Unter ihnen war Cassandra Extavour, eine kanadische Genetikerin an der Harvard University. Ihr Labor arbeitet mit Fruchtfliegen, um Evolution und Entwicklung zu untersuchen – „evo devo“. Am häufigsten wählen solche Wissenschaftler als ihren „Modellorganismus“ die Art Drosophila melanogaster – ein geflügeltes Arbeitstier, das als Insektenkollaborateur bei mindestens einigen Nobelpreisen in Physiologie und Medizin gedient hat.

Dr. Extavour ist aber auch dafür bekannt, alternative Arten als Modellorganismen zu züchten. Sie ist besonders scharf auf die Grille, besonders auf Gryllus bimaculatus, die zweifleckige Feldgrille, auch wenn sie noch nicht annähernd die Gefolgschaft der Fruchtfliege genießt. (Etwa 250 Hauptforscher hatten sich für die Teilnahme an dem Treffen auf Kreta beworben.)

“Es ist verrückt”, sagte sie während eines Videointerviews aus ihrem Hotelzimmer, als sie einen Käfer wegschlug. „Wenn wir versuchen würden, uns mit allen Laborleitern zu treffen, die an dieser Grillenart arbeiten, wären wir vielleicht zu fünft oder zu zehnt.“

Grillen wurden bereits in Studien zu zirkadianen Uhren, Gliederregeneration, Lernen, Gedächtnis aufgenommen; sie haben als Krankheitsmodelle und pharmazeutische Fabriken gedient. Wahre Universalgelehrte, Grillen! Auch als Lebensmittel werden sie immer beliebter, ob mit oder ohne Schokolade. Aus evolutionärer Sicht bieten Grillen mehr Möglichkeiten, etwas über den letzten gemeinsamen Insektenvorfahren zu erfahren. Sie haben mehr Gemeinsamkeiten mit anderen Insekten als Fruchtfliegen. (Bemerkenswerterweise machen Insekten mehr als 85 Prozent der Tierarten aus).

Die Forschung von Dr. Extavour zielt auf die Grundlagen: Wie funktionieren Embryonen? Und was könnte das darüber verraten, wie das erste Tier entstanden ist? Jeder Tierembryo durchläuft eine ähnliche Reise: Aus einer Zelle werden viele, dann ordnen sie sich in einer Schicht an der Oberfläche des Eies an und liefern so eine frühe Blaupause für alle erwachsenen Körperteile. Aber wie wissen Embryozellen – Zellen, die dasselbe Genom haben, aber nicht alle dasselbe mit dieser Information tun –, wohin sie gehen und was zu tun ist?

“Das ist das Rätsel für mich”, sagte Dr. Extavour. „Da will ich immer hin.“

Seth Donoughe, Biologe und Datenwissenschaftler an der University of Chicago und Absolvent des Labors von Dr. Extavour, beschrieb die Embryologie als die Studie darüber, wie ein sich entwickelndes Tier „die richtigen Teile am richtigen Ort zur richtigen Zeit“ herstellt. In einigen neuen Forschungen mit einem wundersamen Video des Grillenembryos – das bestimmte „richtige Teile“ (die Zellkerne) zeigt, die sich in drei Dimensionen bewegen – fanden Dr. Extavour, Dr. Donoughe und ihre Kollegen heraus, dass die gute altmodische Geometrie eine Hauptrolle spielt.

Menschen, Frösche und viele andere weithin untersuchte Tiere beginnen als eine einzelne Zelle, die sich sofort immer wieder in separate Zellen teilt. Bei Grillen und den meisten anderen Insekten teilt sich zunächst nur der Zellkern und bildet viele Kerne, die durch das gemeinsame Zytoplasma wandern und erst später eigene Zellmembranen bilden.

Im Jahr 2019 untersuchte Stefano Di Talia, ein quantitativer Entwicklungsbiologe an der Duke University, die Bewegung der Kerne in der Fruchtfliege und zeigte, dass sie von pulsierenden Strömungen im Zytoplasma mitgerissen werden – ein bisschen wie Blätter, die auf den Wirbeln einer langsamen fliegen -bewegter Strom.

Aber im Grillenembryo war noch ein anderer Mechanismus am Werk. Die Forscher verbrachten Stunden damit, den mikroskopischen Tanz der Kerne zu beobachten und zu analysieren: leuchtende Knoten, die sich teilen und in einem rätselhaften Muster bewegen, nicht ganz geordnet, nicht ganz zufällig, mit unterschiedlichen Richtungen und Geschwindigkeiten, benachbarte Kerne synchroner als die weiter entfernten. Die Aufführung widerlegte eine Choreographie, die über bloße Physik oder Chemie hinausging.

„Die Geometrien, die die Kerne annehmen, sind das Ergebnis ihrer Fähigkeit, die Dichte anderer Kerne in ihrer Nähe zu erfassen und darauf zu reagieren“, sagte Dr. Extavour. Dr. Di Talia war nicht an der neuen Studie beteiligt, fand sie aber bewegend. “Es ist eine schöne Studie eines schönen Systems von großer biologischer Relevanz”, sagte er.

Die Grillenforscher verfolgten zunächst einen klassischen Ansatz: Genau hinsehen und aufpassen. „Wir haben es uns gerade angesehen“, sagte Dr. Extavour.

Sie drehten Videos mit einem Laserlicht-Blattmikroskop: Während der ersten acht Stunden der Entwicklung des Embryos, in der sich etwa 500 Kerne im Zytoplasma angesammelt hatten, hielten alle 90 Sekunden Schnappschüsse den Tanz der Kerne fest. (Grillen schlüpfen nach etwa zwei Wochen.)

Typischerweise ist biologisches Material durchscheinend und selbst mit dem aufgemotztesten Mikroskop schwer zu erkennen. Aber Taro Nakamura, damals Postdoc in Dr. Extavours Labor, jetzt Entwicklungsbiologe am National Institute for Basic Biology in Okazaki, Japan, hatte einen speziellen Grillenstamm entwickelt, dessen Kerne fluoreszierend grün leuchteten. Wie Dr. Nakamura erzählte, waren die Ergebnisse „erstaunlich“, als er die Entwicklung des Embryos aufzeichnete.

Das war „der Ausgangspunkt“ für den Sondierungsprozess, sagte Dr. Donoughe. Er paraphrasierte eine Bemerkung, die manchmal dem Science-Fiction-Autor und Biochemie-Professor Isaac Asimov zugeschrieben wird: „Oft sagt man nicht ‚Heureka!’ Wenn du etwas entdeckst, sagst du: „Huh. Das ist komisch.’“

Zunächst sahen sich die Biologen die Videos in Endlosschleife an, die auf eine Leinwand im Konferenzraum projiziert wurden – das Cricket-Äquivalent zu IMAX, wenn man bedenkt, dass die Embryonen etwa ein Drittel der Größe eines (langkörnigen) Reiskorns haben. Sie versuchten, Muster zu erkennen, aber die Datensätze waren überwältigend. Sie brauchten mehr quantitatives Verständnis.

Dr. Donoughe kontaktierte Christopher Rycroft, einen angewandten Mathematiker, jetzt an der University of Wisconsin-Madison, und zeigte ihm die tanzenden Kerne. ‘Wow!’ sagte Dr. Rycroft. Er hatte so etwas noch nie gesehen, aber er erkannte das Potenzial für eine datengestützte Zusammenarbeit; er und Jordan Hoffmann, damals Doktorand in Dr. Rycrofts Labor, schlossen sich der Studie an.

Bei zahlreichen Screenings dachte das Math-Bio-Team über viele Fragen nach: Wie viele Kerne gab es? Wann begannen sie sich zu teilen? In welche Richtungen gingen sie? Wo sind sie gelandet? Warum rasten einige herum und andere krochen?

Dr. Rycroft arbeitet oft an der Schnittstelle zwischen Bio- und Naturwissenschaften. (Letztes Jahr veröffentlichte er eine Veröffentlichung über die Physik des Zerknitterns von Papier.) „Mathematik und Physik waren sehr erfolgreich bei der Ableitung allgemeiner Regeln, die allgemein gelten, und dieser Ansatz kann auch in der Biologie hilfreich sein“, sagte er; Dr. Extavour hat dasselbe gesagt.

Das Team verbrachte viel Zeit damit, Ideen an einem Whiteboard herumzuwirbeln und oft Bilder zu zeichnen. Das Problem erinnerte Dr. Rycroft an ein Voronoi-Diagramm, eine geometrische Konstruktion, die einen Raum in nicht überlappende Unterregionen unterteilt – Polygone oder Voronoi-Zellen, die jeweils von einem Ausgangspunkt ausgehen. Es ist ein vielseitiges Konzept, das auf so unterschiedliche Dinge wie Galaxienhaufen, drahtlose Netzwerke und das Wachstumsmuster von Baumkronen anwendbar ist. (Die Baumstämme sind die Samenpunkte und die Kronen sind die Voronoi-Zellen, die sich eng aneinander schmiegen, aber nicht ineinander eindringen, ein Phänomen, das als Kronenscheu bekannt ist.)

Im Cricket-Kontext berechneten die Forscher die Voronoi-Zelle, die jeden Kern umgibt, und beobachteten, dass die Form der Zelle dabei half, die Richtung vorherzusagen, in die sich der Kern als nächstes bewegen würde. Grundsätzlich sagte Dr. Donoughe: „Kerne neigten dazu, sich in nahe gelegene offene Flächen zu bewegen.“

Geometrie, bemerkte er, bietet eine abstrahierte Denkweise über Zellmechanik. „Die meiste Zeit in der Geschichte der Zellbiologie konnten wir die mechanischen Kräfte nicht direkt messen oder beobachten“, sagte er, obwohl klar war, dass „Motoren und Quetschungen und Stöße“ im Spiel waren. Aber die Forscher konnten geometrische Muster höherer Ordnung beobachten, die durch diese Zelldynamik erzeugt wurden. „Wenn wir also an den Abstand der Zellen, die Größe der Zellen, die Formen der Zellen denken – wir wissen, dass sie von mechanischen Einschränkungen in sehr feinen Maßstäben herrühren“, sagte Dr. Donoughe.

Um diese Art geometrischer Informationen aus den Grillenvideos zu extrahieren, verfolgten Dr. Donoughe und Dr. Hoffmann die Kerne Schritt für Schritt und maßen Ort, Geschwindigkeit und Richtung.

„Dies ist kein trivialer Prozess und beinhaltet am Ende viele Formen von Computer Vision und maschinellem Lernen“, sagte Dr. Hoffmann, ein angewandter Mathematiker, der jetzt bei DeepMind in London arbeitet.

Sie überprüften die Ergebnisse der Software auch manuell, klickten sich durch 100.000 Positionen und verknüpften die Abstammungslinien der Kerne durch Raum und Zeit. Dr. Hoffmann fand es langweilig; Dr. Donoughe stellte sich vor, wie ein Videospiel zu spielen, „in Hochgeschwindigkeit durch das winzige Universum in einem einzelnen Embryo zu zoomen und die Fäden der Reise jedes Kerns zusammenzufügen.“

Als nächstes entwickelten sie ein Rechenmodell, das Hypothesen testete und verglich, die die Bewegungen und Positionierung der Kerne erklären könnten. Alles in allem schlossen sie die zytoplasmatischen Flüsse aus, die Dr. Di Talia in der Fruchtfliege sah. Sie widerlegten die zufällige Bewegung und die Vorstellung, dass Kerne sich physisch gegenseitig auseinanderdrücken.

Stattdessen gelangten sie zu einer plausiblen Erklärung, indem sie auf einem anderen bekannten Mechanismus in Embryonen von Fruchtfliegen und Spulwürmern aufbauten: molekulare Miniaturmotoren im Zytoplasma, die Cluster von Mikrotubuli von jedem Zellkern aus verlängern, ähnlich einem Blätterdach.

Das Team schlug vor, dass eine ähnliche Art von molekularer Kraft die Grillenkerne in den unbesetzten Raum zog. „Die Moleküle könnten durchaus Mikrotubuli sein, aber das wissen wir nicht genau“, sagte Dr. Extavour in einer E-Mail. „Wir werden in Zukunft weitere Experimente durchführen müssen, um das herauszufinden.“

Diese Cricket-Odyssee wäre nicht vollständig ohne die Erwähnung von Dr. Donoughes maßgefertigtem „Embryonenkonstriktionsgerät“, das er baute, um verschiedene Hypothesen zu testen. Es replizierte eine Technik der alten Schule, wurde jedoch durch frühere Arbeiten mit Dr. Extavour und anderen zur Entwicklung von Eigrößen und -formen motiviert.

Diese Vorrichtung ermöglichte es Dr. Donoughe, die knifflige Aufgabe auszuführen, ein menschliches Haar um das Grillenei zu wickeln – wodurch zwei Regionen entstanden, von denen eine den ursprünglichen Kern enthielt, die andere einen teilweise abgekniffenen Anhang.

Dann sahen sich die Forscher erneut die Nuklear-Choreographie an. In der ursprünglichen Region verlangsamten sich die Kerne, sobald sie eine überfüllte Dichte erreichten. Aber als ein paar Kerne an der Engstelle durch den Tunnel schlichen, beschleunigten sie wieder und ließen los wie Pferde auf offener Weide.

Dies war der stärkste Beweis dafür, dass die Bewegung der Kerne von der Geometrie bestimmt wurde, sagte Dr. Donoughe, und „nicht von globalen chemischen Signalen oder Flüssen oder so ziemlich allen anderen Hypothesen da draußen für das, was das Verhalten eines ganzen Embryos plausibel koordinieren könnte.“

Am Ende der Studie hatte das Team mehr als 40 Terabyte an Daten auf 10 Festplatten angesammelt und ein rechnerisches, geometrisches Modell verfeinert, das den Werkzeugkasten der Grille ergänzte.

„Wir wollen Grillenembryos vielseitiger für die Arbeit im Labor machen“, sagte Dr. Extavour – das heißt, nützlicher für das Studium von noch mehr Aspekten der Biologie.

Das Modell kann jede Eigröße und -form simulieren, was es als „Testgelände für andere Insektenembryos“ nützlich macht, sagte Dr. Extavour. Sie merkte an, dass dies es ermöglichen würde, verschiedene Arten zu vergleichen und tiefer in die Evolutionsgeschichte einzudringen.

Aber die größte Belohnung der Studie, darin waren sich alle Forscher einig, war der kooperative Geist.

„Es gibt einen Ort und eine Zeit für Spezialwissen“, sagte Dr. Extavour. „Bei wissenschaftlichen Entdeckungen müssen wir uns genauso oft Menschen aussetzen, die nicht so sehr an einem bestimmten Ergebnis interessiert sind wie wir.“

Die von den Mathematikern gestellten Fragen seien „frei von allen möglichen Vorurteilen“, sagte Dr. Extavour. „Das sind die spannendsten Fragen.“

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