Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!

Computationele biologen van onder meer de Universiteit van Amsterdam zijn erin geslaagd een computermodel te maken van een van de meest essentiële stappen van de embryonale ontwikkeling van neteldieren. Het gaat om het proces van gastrulatie, waarbij in het prille embryo twee typen weefsel ontstaan: het weefsel dat later de interne organen zal vormen, en het weefsel dat de huid en zintuigen zal gaan vormen. Het werk, een afstudeerproject van Maarten van der Sande onder leiding van Jaap Kaandorp, is 12 januari gepubliceerd in Developmental Biology.

Een van de simulaties uit het onderzoek, gastrulatie door ingressie. In het eerste plaatje begint de gastrulatie zodra de cellen zich hebben georganiseerd in een holle bol (de blastula). In het laatste plaatje is het volledig gegastruleerde embryo te zien. De rode cellen zullen de organen gaan vormen, de blauwe cellen worden de huid en zintuigen.

Veel biologen beschouwen gastrulatie als de belangrijkste stap uit de ontwikkelingsbiologie van dieren. Als de gastrulatie niet goed verloopt, raakt de volledige ontwikkeling van een embryo verstoord. Het is bovendien een proces dat bij tal van dieren op dezelfde manier plaatsvindt; er zijn over het hele dierenrijk ongeveer vijf verschillende mechanismen voor bekend.

Neteldieren

Het team van Kaandorp besloot gastrulatie bij neteldieren te modelleren, omdat deze horen tot de meest eenvoudige gebouwde dieren op aarde. Neteldieren is een verzamelnaam voor eenvoudige zeedieren zoals kwallen, zeeanemonen en koralen. Aangezien deze dieren aan de basis van het dierenrijk staan, kan het bestuderen van embryonale mechanismen in deze diergroepen nieuwe fundamentele inzichten opleveren in zowel de ontwikkelingsbiologie als in de evolutie van het dierenrijk. Behalve Kaandorp en Van der Sande waren ook onderzoekers van de Lomonosov Moscow State University (Yulia Kraus) en de Sorbonne Universite (Evelyn Houliston) betrokken bij het project.

Meerdere typen

In hun publicatie laten de wetenschappers via computersimulaties zien dat met behulp van hun model verschillende typen gastrulatie kunnen worden nagebootst. Het gaat om gastrulatie door indeuking (invaginatie, zoals bijvoorbeeld bij sommige zeeanemonen en manteldieren plaatsvindt) en gastrulatie door migratie van cellen (ingressie, zoals bijvoorbeeld bij een aantal neteldieren en gewervelden gevonden wordt). Ook is het geschikt om een type gastrulatie mee te beschrijven waar een combinatie van ingressie en invaginatie wordt gebruikt (dit vindt plaats bij sommige zeeanemonen).

Techniek uit spelcomputers

Ondanks dat het model gebaseerd is op relatief eenvoudige biomechanische regels, zijn het vrij zware computationele berekeningen. Om de tijd die de het draaien van de simulaties kost te beperken, hebben de computationele biologen gebruik gemaakt van GPU (graphics processing unit) computing. Dit is een techniek die normaal in bijvoorbeeld spelcomputers wordt gebruikt.

Met het simulatiemodel kan voor elke stap tijdens de gastrulatie de vorm van het embryo, maar ook de vorm van de individuele cellen waaruit het embryo op dat moment bestaat in detail worden voorspeld. Daarnaast is het de onderzoekers gelukt om met hun simulatiemodellen het effect van een aantal knock-down experimenten op de vorm van het embryo te voorspellen. Bij knock-down experimenten worden genen in de cellen van het embryo uitgeschakeld, om te kijken hoe dit de ontwikkeling van het embryo beïnvloedt. 

Details van de publicatie:
Van der Sande et al, A cell-based boundary model of gastrulation by unipolar ingression in the hydrozoan cnidarian Clytia hemisphaerica, in: Developmental Biology, jan 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2019.12.012