Щетинистые черви образуют щетинки по частям.

Новое междисциплинарное исследование под руководством молекулярного биолога Флориана Райбле из лаборатории Макса Перуца Венского университета дает захватывающее представление о щетине морского кольчатого червя Platynereis dumerilii. Специализированные клетки, называемые хетобластами, контролируют образование щетинок. Их принцип работы удивительно похож на режим технического 3D-принтера.

Проект представляет собой сотрудничество с исследователями из Хельсинкского университета, Венского технологического университета и Университета Масарика в Брно. Исследование опубликовано в Природные коммуникации.

Хитин является основным строительным материалом как для экзоскелета насекомых, так и для щетинок щетинистых червей, таких как морской кольчатый червь Platynereis dumerilii. Однако щетинистые черви имеют несколько более мягкий хитин — бета-хитин, который особенно интересен для биомедицинских применений. Щетинки позволяют червям передвигаться в воде.

Как именно хитин формируется в отдельные щетинки, до сих пор остается загадкой. Новое исследование теперь дает захватывающее понимание этого особого биогенеза.

Флориан Райбле объясняет: «Процесс начинается с кончика щетины, затем следует средняя часть и, наконец, основание щетинок. Готовые части выталкиваются все дальше и дальше из тела. В этом процессе развития важные функциональные единицы создаются один за другим, по частям, что похоже на 3D-печать».

Лучшее понимание подобных процессов также имеет потенциал для разработки будущих медицинских продуктов или производства материалов, разлагаемых естественным путем. Бета-хитин из спинного панциря кальмаров, например, в настоящее время используется в качестве сырья для производства особенно хорошо переносимых повязок на раны. «Возможно, в будущем для производства этого материала также можно будет использовать клетки кольчатых червей», — говорит Райбл.

Точная биологическая подоплека этого процесса: хетобласты играют центральную роль в этом процессе. Хетобласты представляют собой специализированные клетки с длинными поверхностными структурами, называемыми микроворсинками. Эти микроворсинки содержат специфический фермент, который, как показали исследования, отвечает за образование хитина — материала, из которого в конечном итоге состоят щетинки. Результаты исследователей показывают динамическую клеточную поверхность, характеризующуюся геометрически расположенными микроворсинками.

Отдельные микроворсинки выполняют функцию, аналогичную соплам 3D-принтера. Флориан Райбле объясняет: «Наш анализ показывает, что хитин вырабатывается отдельными микроворсинками клетки хетобласта. Таким образом, точное изменение количества и формы этих микроворсинок с течением времени является ключом к формированию геометрической структуры отдельных щетинок, таких как как отдельные зубцы на кончике щетины, точность которых достигает субмикрометра».

Щетинки обычно развиваются всего за два дня и могут иметь разную форму; в зависимости от стадии развития червя они короче или длиннее, более заостренные или более плоские.

Помимо местного сотрудничества с Венским технологическим университетом и специалистами по визуализации из Университета Брно, сотрудничество с лабораторией Йокитало в Хельсинкском университете оказалось большим преимуществом для исследователей Венского университета.

Используя свой опыт в серийной сканирующей электронной микроскопии (SBF-SEM), исследователи исследовали расположение микроворсинок в процессе формирования щетинок и предложили 3D-модель для синтеза образования щетинок.

Первый автор Кёдзиро Икеда из Венского университета объясняет: «Стандартная электронная томография очень трудоемка, поскольку нарезка образцов и их исследование в электронном микроскопе должны выполняться вручную. Однако при таком подходе мы можем надежно автоматизировать анализ тысяч слоев».

Группа Райбле в настоящее время работает над улучшением разрешения наблюдения, чтобы раскрыть еще больше деталей о биогенезе щетинок.