Ембріони дрозофіл розібрали на кілька тисяч окремих клітин, а потім зібрали назад - але вже в комп'ютері.
На ранньому етапі розвитку будь-який ембріон виглядає як мікроскопічна жменька клітин. Всі вони виглядають однаково під мікроскопом, але кожна вже знає, якої тканини вона дасть початок, ким будуть її нащадки - нейронами, клітинами м'язів або ким-небудь ще. Як ембріональні клітини дізнаються свою долю, звідки береться складність і різноманітність багатоклітинного організму, якщо він «починається» з однієї-єдиної клітини - ці питання займали уми не одного покоління дослідників.
Одним з тих, хто намагався на них відповісти, був Алан Тьюрінг, видатний математик і логік, який стояв біля витоків інформатики. У його час про молекулярні принципи роботи генів не було відомо майже нічого, тим не менш, Тьюрінг розумів, що в клітинах є якісь хімічні речовини, які можуть розподілятися по тканині нерівномірно, так що їх концентрація буде в якихось напрямках наростати, а в інших - зменшуватися (іншими словами, концентрації будуть розподілені по градієнтах).
Він припускав, що подібні відмінності в концентрації можуть якимось чином перетворюватися на відмінності в клітинному «самовизначенні». Пізніше стало зрозуміло, що хімічні речовини - це продукти експресії генів, тобто білки, і що їх розподіл по клітці (тобто просторові хімічні градієнти) - дійсно саме те, що дозволяє клітинам зрозуміти, в якому місці ембріона вони знаходяться, і вибрати власний шлях розвитку.
З часом багато чого в розвитку живого організму стало зрозумілим, і в цілому ембріогенез вже не здається незрозумілим дивом (принаймні, для тих, хто хоча б трохи цікавиться темою). Але на жаль, одночасно стало зрозуміло і те, що у цього процесу немає лаконічного і розбірливого пояснення. Кожна подія в ньому обумовлена стількома кількістю факторів, такими складними взаємними впливами різних генів і умов навколишнього середовища, що для того, щоб представити повну картину розвитку зародку, необхідно підключити інформаційні технології.
Саме так вчинили в Берлінському інституті медичної системної біології, що входить до складу Центру молекулярної медицини Макса Дельбрюка. Дослідники працювали з ембріоном дрозофіли, який після перших тринадцяти синхронних клітинних ділів складається з 6000 клітин. Для ембріона створили віртуальну тривимірну модель з клітинною роздільною здатністю. У кожній його клітині зберігалися дані про активність близько 8000 генів, так що модель дозволяла відтворювати їх тривимірні градієнти у віртуальному тілі ембріона, спостерігаючи, наскільки вони перекриваються один з одним. Повністю результати досліджень опубліковані в Science.
Щоб отримати свого віртуального «вихованця», дослідникам довелося спочатку розібрати на окремі клітини близько п'яти тисяч ембріонів, що знаходяться в одній і тій же стадії розвитку. Потім вони прочитали всі молекули матричних РНК (мРНК) в кожній клітці - як ми знаємо, генетична інформація з ДНК копіюється в матричну РНК, з якою потім працюють білоксинтезуючі машини; іншими словами, знаючи про те, скільки і які мРНК плавають в клітці, ми можемо з великою часткою впевненості судити про те, які гени в клітці активні, а які - ні. Дані про РНК перетворювалися на віртуальні клітини, з яких потім реконструювали 3D-ембріон; природно, справа не обійшлася без спеціального програмного алгоритму, який потрібно було створити саме під це завдання.
За словами Ніколауса Раєвського (Nikolaus Rajewsky), керівника однієї з наукових груп, які працювали над моделлю ембріона, тепер молекулярно-генетичні процеси можна вивчати не тільки в копітких і тривалих дослідах зі справжніми зародками, а й у віртуальних експериментах. Робота, на яку можуть піти роки при використанні традиційних методів дослідження, тепер може бути виконана за пару годин.
Незважаючи на те, що людина і дрозофіла досить сильно відрізняються один від одного, більшість фундаментальних біологічних механізмів, що контролюють ембріональний розвиток, збереглися в незмінному вигляді протягом тих багатьох мільйонів років еволюції, які нас поділяють. І велика частина з того, що ми знаємо в області біології розвитку, отримана в експериментах на модельних тварин, таких, як миші і дрозофіли.
Наші уявлення про ембріональний розвиток людини - особливо це відноситься до пізніх стадій, які з етичних причин не можна вивчати на людських зародках - дуже часто не що інше, як екстраполяція результатів, отриманих на тваринах. Тому створена дослідниками тривимірна модель ембріона має відношення не тільки до мухів - коли сучасна ембріологія зобов'язана своїм успіхам експериментам на дрозофілах, то віртуальна дрозофіла здасться досить «крутим» інструментом.
До речі, ембріологія, біологія розвитку потрібні нам не тільки заради самих ембріонів, у яких ми в найближчому майбутньому, очевидно, навчимося виправляти різноманітні дефекти розвитку. Не будемо забувати, що вся регенеративна медицина стоїть на стовбурових клітинах, а знання про стовбурові клітини, про їх взаємини один з одним і з іншими типами клітин відносяться якраз до біології розвитку.
Якщо ми хочемо стимулювати регенерацію тканини в місці пошкодження або ж взагалі виростити орган «з нуля», необхідно розуміти, які гени тут працюють і як вони один з одним взаємодіють. Але процеси, які активуються при регенерації тканини, дуже схожі з тим, що відбувається, коли ця тканина виникає під час ембріогенезу. Тому, наприклад, загоєння ран цілком успішно вивчають на тих же мушиних ембріонах.
Повертаючись до 3D-ембріону, варто зазначити, що поки така модель побудована тільки для однієї тимчасово точки. Щоб отримати більш детальну модель ембріонального розвитку, автори роботи збираються виконати те ж саме, але вже для ембріона, що знаходиться на інших етапах розвитку, у якого вже почали формуватися органи.