Исследование компартментализации в процессе роста многоклеточных систем Вачадзе, Давид Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Материал диссертации связан с разработкой фундаментальной общебиологической проблемы - исследованием физико-химических закономерностей развития многоклеточных систем. Актуальность исследования локальных межклеточных взаимодействии в процессах компартментализации обусловлена той важной ролью, которую они играют в функционировании многоклеточных систем [Chailakhyan, 1990]. Очевидно, что в ходе роста многоклеточной системы сила электрических, химических и/или механических взаимодействий между удаленными клетками уменьшается из-за шунтирующего влияния увеличивающегося окружения. При этом локальность указанных взаимодействий (осуществляющихся через проницаемые межклеточные контакты или посредством адгезии) не допускает координации кооперативного поведения клеток в системе, линейные размеры которой превышают максимальный из характерных пространственных масштабов взаимодействий. Координация может быть восстановлена через фрагментацию системы на компактные надклеточные, относительно независимые, компартменты с внутренней координацией клеточных функций посредством локальных межклеточных взаимодействий.

Функциональные компартменты в системах взаимодействующих клеток обнаружены у широкого класса многоклеточных организмов. Известна функциональная специализация морфологически однородных клеток печени, кожи, а так же у мицелиальных грибов и цианобактерий. Размеры функциональных компартментов (как дифференцированных, так и пролиферирующих) у различных организмов практически одинаковы и определяются величиной порядка 1 мм. Можно предположить, что постоянство размеров компартментов взаимодействующих клеток у различных организмов отражает общую физическую природу формирования надклеточной самоорганизации а их величина определяется характерным пространственным масштабом электродиффузионных взаимодействий.

Рост (прирост биомассы) является общей функцией ряда многоклеточных систем и, следовательно, можно ожидать, что возникновение новых компартментов будет модулировать эффективность (удельную скорость) роста клеточной ассоциации. Однако, до настоящего времени вопрос о роли компартментализации в процессах роста многоклеточных систем не рассматривался.

Цель и задачи исследования. Целью работы было определение зависимости скорости роста многоклеточной системы от ее линейных размеров и от кинетики процессов компартментализации.

Цель исследования обусловила постановку ряда задач:

1. Выбор экспериментальных моделей с разными типами клеточной организации, разработка методов и поиск условий регистрации кинетики роста.

2. Разработка компьютерных программ обработки изображения и создания соответствующих цифровых массивов.

3. Подбор адекватных методов обработки цифровых массивов для графического представления динамики отдельных параметров, включая частотный анализ ростовых пульсаций.

4. Исследование кинетики роста выбранных экспериментальных моделей с использованием разработанной методики.

Научная новизна. На основании теоретических оценок и экспериментальных результатов сформулированы представления о роли компартментализации в процессе роста различных многоклеточных систем. В частности, показано, что:

постоянство размеров компартментов взаимодействующих клеток у различных организмов отражает наличие общих физических механизмов формирования надклеточной самоорганизации, возможно, на основе электродиффузионных взаимодействий.

удельная скорость роста трихома цианобактерии Anabaena var. уменьшалась при длинах, превосходящих 1 мм. Образование новых компартментов в процессе фрагментации трихома сопровождалось восстановлением удельной скорости роста.

падение удельной скорости роста мицелиальной гифы N. crassa по мере увеличения длины гифы сменялось ее ростом после образования нового относительно независимого компартмента.

удельная скорость роста, по мере увеличения размера колоний культивируемых клеток млекопитающих VERO и SVK необратимо уменьшалась при размерах колонии превосходящих 1 мм.

Впервые показано, что ослабление межклеточных взаимодействий на расстояниях порядка 1 мм коррелирует с фрагментацией трихомов цианобактерии, ветвлением у мицелиальных грибов и развитием процессов контактного торможения деления у культивируемых клеток млекопитающих. Возникновение новых компартментов в процессе роста клеточной системы коррелирует с цикличе-

скими изменениями удельной скорости роста. Падение удельной скорости роста монослоиных колоний культивируемых животных клеток было необратимым, возможно вследствие невозможности формирования новых компартментов.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена возможностью применения полученных в ней результатов как в дальнейших теоретических исследованиях локальных межклеточных взаимодействий, так и в биотехнолопш. В частности, полученные результаты определяют диапазон оптимальных размеров фрагментов трихомов водорослей, гиф мицелиальных грибов и колоний животных клеток, обуславливающих максимальую скорость прироста биомассы при культивировании в промышленных условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

5. "Консервация генетических ресурсов", г.Пущино, 13-15 апреля 1993г.

6. "Fourth European Congress of Cell Biology", Prague, June 26 - July 1, 1994.

7. 'Workshop on Intercellular Communication", Pushchino, Aug 26 - Sep 1, 1994.

8. "First Workshop on Nonlinear Models of Biomembrane Molecular Structures". Pushchino, October 9-16, 1994.

9. Научная конференция ИТЭБ РАН, 1994г.

10. Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы-95" (секция биологии).

11. International Conference "Criteria Of Self-Organization In Physical, Chemical And Biological Systems", Moscow-Souzdal, June 12-18 1995.

12. International Symposium on Differentation and Behavior in Fungal Models, Irapuato,Mexico, September 4-7, 1995.

13. "Second Workshop on Nonlinear Models of Biomembrane Molecular Structures". Pushchino, June 26 - July 1, 1995.

Публикации. По материалам диссертации опубликованно 9 печатных работ в виде статей и тезисов докладов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора и анализа литературы (I глава), описания объектов и методов (II глава), изложения и обсуждения экспериментальных результатов (III, IV и V главы), заключения, вьшодов, списка литературы и списка работ, опубликованных по теме диссертации. Работа изложена на . . страницах и содержит. рисунков.