Дедалі більше експериментальних даних вказує на те, що топологічні дефекти можуть слугувати організувальними центрами в морфогенезі тканин.
Активні шари, наприклад, обмежені клітинні моношари, найімовірніше, нестійкі до утворення виступів у присутності дисклінацій.
Нестійкість виникає в результаті взаємодії між фокусуванням пружних сил, опосередкованим дефектами, і перенормуванням поверхневого натягу системи активним потоком.
Постперехідний режим також характеризується складними морфодинамічними процесами - коливальні деформації, зародження крапель і активна турбулентність.
Розвиток багатоклітинних організмів вирішальною мірою залежить від внутрішніх і зовнішніх механічних сигналів, які передаються механочутливими механізмами клітин і призводять до загальносистемних просторово-часових перебудов. У кінцевому підсумку, таким чином формуються ранні ембріональні ознаки.
Ці процеси включають у себе широкий спектр активних і пасивних сил, регуляція яких залежить не тільки від молекулярного репертуару тканинноутворювальних клітин, а й від їхньої форми, рухливості та локальної організації.
Останнім часом концептуальна схема активної матерії, тобто матеріалів, будівельні блоки яких можуть автономно рухатися і виконувати механічну роботу, зробила величезний внесок у класифікацію арсеналу фізичних механізмів, що лежать в основі генерації сил і колективної міграції як в еукаріотів, так і в прокаріотів.
Однак питання про те, як ці фізичні механізми можуть бути використані для досягнення біологічної функціональності, залишається відкритим на стику біології та механіки.
Одна з найцікавіших гіпотез у цьому відношенні обертається навколо можливості того, що багатоклітинні системи можуть використовувати переваги топологічних механізмів для створення умов, з погляду відтворюваності та міцності, для виникнення та підтримки життя.
Зокрема, дефекти можуть бути ідентифіковані як потенційні кандидати на роль "топологічних морфогенів" у різних біоміметичних системах і модельних організмах.
Фелікс Кебер із Wühr Lab вже продемонстрував, що протоклітини, які складаються з одного шару мікротрубочок-кінезин-активного нематичного рідкого кристала, укладеного в ліпідну везикулу, що живиться аденозинтрифосфатом, знімають механічну напругу, яка виникає через наявність чотирьох топологічно необхідних дисклінацій +1/2, шляхом зростання стійких трубчастих виступів (1А).
Зовсім нещодавно цей самий механізм був використаний в експериментальних і теоретичних дослідженнях для пояснення росту і регенерації щупалець у гідри (1B).
Накопичення розтягувальних напружень поблизу цілочисельних і напівцілих дисклінацій також було запропоновано деякими дослідниками як стратегію для досягнення апоптозу клітин і екструзії в епітеліальних шарах як шлях утворення багатоклітинних виступів в обмежених міобластах (1С).
Задовго до того, як було визнано важливість дефектів для розвитку непланарних особливостей у тканинах, пухироподібні геміцисти - так звані "куполи" - вже регулярно спостерігали в багатьох культурах епітеліальних клітин, отриманих із ниркових клітинних ліній.
Приклад "купола", отриманого з моношару епітеліальних клітин Madin-Darby Canine Kidney, відтворено на 1D.
У центральній ділянці цього купола, де кривизна більша, є безліч топологічних дефектів (тобто п'яти- і семисторонніх клітин) із чистим позитивним топологічним зарядом: ∑i ∈ dome(6 - ci) > 0, де ci - кількість сторін кожної клітини.
Іншими словами, система демонструє надлишок позитивних дисклінацій (п'ятисторонніх осередків) там, де її кривизна максимальна.
Це спостереження дозволяє припустити, що утворенню клітинних куполів можуть сприяти топологічні дефекти в поєднанні з іншим специфічним для системи механізмом, таким як ін'єкція рідини під шар клітин, що призводить до фокального відшарування.
У той час як ці експериментальні дослідження доводять існування кореляції між топологічними дефектами та певними морфогенними подіями, чітка теоретична картина механічної природи такої поведінки відсутня.
Також можна припустити, що обмежені активні шари, змодельовані як активні полярні рідкі кристали, є нестійкими до утворення виступів за присутності дисклінації +1.
У розтяжних системах із позитивним вирівнюванням потоку нестійкість виникає внаслідок взаємодії між фокусуванням пружних сил, опосередкованим дефектом, і перенормуванням поверхневого натягу системи активним потоком, яке виникає у відповідь на постійне введення активного напруження в умовах конфайнмента.
У постперехідній фазі така конкуренція призводить до додаткових динамічних режимів, які охоплюють деформації, що осцилюють, зародження крапель і турбулентний стан із виступами, що розростаються.
Навпаки, у скоротливих системах те ж саме явище стабілізує плоску конфігурацію, запобігаючи утворенню виступів.
Точний опис усіх прикладів опосередкованого дефектами морфогенезу, в принципі, вимагає великої кількості біофізичних деталей та індивідуального підходу.
Однак саме їхнє розмаїття передбачає існування загального базового механізму. Питання лише в тому, - який цей механізм?
Джерело: pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
