Τα λουλούδια αναπτύσσουν μίσχους, φύλλα και πέταλα σε ένα τέλειο μοτίβο ξανά και ξανά. Μια νέα μελέτη του Cornell δείχνει ότι ακόμη και σε αυτόν τον ακριβή, διαμορφωμένο σχηματισμό στα φυτά, η γονιδιακή δραστηριότητα μέσα σε μεμονωμένα κύτταρα είναι πολύ πιο χαοτική απ’ ό,τι φαίνεται εξωτερικά.
Αυτό το εύρημα έχει σημαντικές επιπτώσεις στη μηχανική των φυτών, όπου οι επιστήμονες σχεδιάζουν τεχνητούς γονιδιακούς διακόπτες για τον έλεγχο της ανάπτυξης ή της συμπεριφοράς. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα φυτά διαχειρίζονται τον γενετικό «θόρυβο» θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στην έρευνα σε άλλους τομείς, από τη συνθετική βιολογία, όπου η προβλεψιμότητα είναι κρίσιμη, έως την έρευνα για τον καρκίνο, όπου η τυχαία γονιδιακή δραστηριότητα μπορεί να οδηγήσει στην εξέλιξη του όγκου. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στις 20 Μαΐου στο «Nature Communications».
«Τελικά, η έρευνα αμφισβητεί την ιδέα ότι η βιολογική ακρίβεια απαιτεί τέλειο έλεγχο», δήλωσε η Adrienne Roeder, καθηγήτρια στο Τμήμα Βιολογίας Φυτών στη Σχολή Ολοκληρωμένης Επιστήμης Φυτών, στο Κολλέγιο Γεωργίας και Βιοεπιστημών και στο Ινστιτούτο Weill για την Κυτταρική και Μοριακή Βιολογία, η οποία είναι η αντίστοιχη συγγραφέας της μελέτης. «Αντίθετα, δείχνει ότι η φύση δεν εξαλείφει την τυχαιότητα – κατασκευάζει αξιόπιστα συστήματα και διαδικασίες που λειτουργούν παρά την τυχαιότητα».
Ο συν-συγγραφέας Shuyao Kong άρχισε και διεξήγαγε την εργασία ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Roeder στο Ινστιτούτο Weill για την Κυτταρική και Μοριακή Βιολογία. Ο Kong είναι τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ.
Οι ερευνητές εξέτασαν το κάρδαμο thale (Arabidopsis thaliana), ένα μικρό φυτό της οικογένειας των μουστάρδων, για να εξετάσουν τη στοχαστική γονιδιακή έκφραση – τη διαδικασία μέσω της οποίας τα γονίδια μπορούν να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν τυχαία. Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα γονίδια που ανταποκρίνονται στην αυξίνη -μια ορμόνη που κατευθύνει την ανάπτυξη των λουλουδιών- ενεργοποιούνταν με έναν εκπληκτικά τυχαίο τρόπο από κύτταρο σε κύτταρο, ακόμη και όταν το ορμονικό σήμα ήταν το ίδιο. Παρά τις πανομοιότυπες οδηγίες, τα κύτταρα συμπεριφέρονταν απρόβλεπτα.
Η ομάδα χρησιμοποίησε λαμπερούς ανταποκριτές -μόρια που φωτίζονται με φθορισμό όταν ενεργοποιούνται τα γονίδια- για να παρακολουθήσει τρία γονίδια που ανταποκρίνονται στην αυξίνη, συμπεριλαμβανομένου ενός που ονομάζεται DR5. Διαπίστωσαν ότι παρόλο που η δραστηριότητα του DR5 «ενεργοποιήθηκε» από την αυξίνη, αυτή ποικίλλει σημαντικά από το ένα κύτταρο στο άλλο – όχι λόγω διαφορών στα επίπεδα αυξίνης, αλλά λόγω τυχαίων διακυμάνσεων μέσα στα ίδια τα κύτταρα.
Είδαν αυτή τη δυναμική να λαμβάνει χώρα στα σέπαλα του φυτού, τα ανθεκτικά πράσινα όργανα που μοιάζουν με φύλλα στη βάση του μπουμπουκιού και προστατεύουν το αναδυόμενο άνθος. Παρόλο που τα κύτταρα είναι μεμονωμένα «θορυβώδη» και απρόβλεπτα, το φυτό παράγει επανειλημμένα τέσσερα προστατευτικά σέπαλα σε ένα τέλειο μοτίβο.
«Πραγματικά πίστευα ότι μέχρι να φτάσουμε σε αυτές τις τέσσερις περιοχές [που σχηματίζουν σέπαλα], θα υπήρχε πολύ λιγότερη τυχαιότητα — αλλά δεν υπάρχει», είπε ο Ρέντερ. «Κάπως, παρά τον θόρυβο, εξακολουθείτε να έχετε αυτές τις πολύ σαφείς κηλίδες όπου ξεκινούν τα σέπαλα».
Παρόλο που οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι η γονιδιακή δραστηριότητα μπορεί να είναι θορυβώδης σε μοριακό επίπεδο, αυτή η μελέτη αποκαλύπτει ότι ακόμη και σημαντικά αναπτυξιακά γονίδια που ενεργοποιούνται από τη φυτική ορμόνη αυξίνη παρουσιάζουν τυχαιότητα σε μεμονωμένα κύτταρα, προσφέροντας νέα εικόνα για το πώς τα φυτά διαχειρίζονται μια τέτοια μεταβλητότητα κατά τον σχηματισμό οργάνων.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι δύο γονίδια που ανταποκρίνονται στην αυξίνη, τα AHP6 και DOF5.8, έδειξαν λιγότερη τυχαιότητα από το DR5, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα φυτά μπορεί να έχουν ενσωματωμένους μηχανισμούς για την απόσβεση του θορύβου όταν χρειάζεται.
Το κλειδί, σύμφωνα με την ομάδα, είναι μια διαδικασία που ονομάζεται «χωρικός μέσος όρος». Ενώ τα μεμονωμένα κύτταρα συμπεριφέρονται ασυνεπώς, ομάδες κυττάρων συνεργάζονται για να εξομαλύνουν τον θόρυβο, δημιουργώντας ένα σταθερό, συλλογικό σήμα που το φυτό μπορεί να χρησιμοποιήσει για να καθοδηγήσει την ανάπτυξή του.
«Ο οργανισμός μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτή την τυχαιότητα όταν θέλει και να την αγνοήσει όταν δεν το θέλει», είπε ο Ρόντερ. «Αυτό είναι εξαιρετικά ισχυρό».
Η μελέτη εγείρει σημαντικά ερωτήματα, είπε.
«Ο χωρικός μέσος όρος είναι ένας τρόπος με τον οποίο τα φυτά διαχειρίζονται τον θόρυβο της γονιδιακής έκφρασης, αλλά πώς ακριβώς συμβαίνει αυτή η προσωρινή αποθήκευση και υπό ποιες συνθήκες αποτυγχάνει;» είπε ο Ρέντερ. «Πώς μπορούμε να το ενσωματώσουμε αυτό όταν προσπαθούμε να τροποποιήσουμε το αγαπημένο μας γονίδιο ώστε να εκφράζεται σε ενδιαφέροντα μέρη;».
Μεταξύ των συγγραφέων που συνέβαλαν είναι ο Byron Rusnak, μεταπτυχιακός φοιτητής στη Σχολή Ολοκληρωμένης Επιστήμης Φυτών (CALS), και ο Mingyuan Zhu, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο Duke.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Γενικών Ιατρικών Επιστημών στα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας.
________________________________________
Πηγή: ScienceDaily.com – 26 Μαΐου 2025 | Υλικά: το Πανεπιστήμιο Cornell. Πρωτότυπο γραμμένο από τον Stephen D’Angelo, ευγενική προσφορά του Cornell Chronicle.
Εφημερίδα Απογευματινή
