另一种众所周知且被研究的模式是果蝇的复眼。这只眼睛是由800簇感光细胞组成的高度图形化的六边形晶格。一团无定形的细胞是如何发展成这种精确而熟悉的模式的?

美国西北大学(Northwestern University)的研究人员发现，这种图案的形成涉及机械力，而不仅仅是细胞间传递的化学信号。利用这种首创的实时成像技术，研究人员看到细胞在眼睛发育时移动到相应的位置;细胞并不像以前认为的那样是静态的。这个主要发现提供了应该扩展到其他模式系统的原则。

温伯格文理学院(Weinberg College of Arts and Sciences)的分子生物科学教授理查德·卡休(Richard Carthew)说:“你看到的每一个地方都有一个模式星座。”“但是没有艺术大师。在这项研究中，我们试图理解一种图案——一种美丽的图案——是如何在身体中形成的。令我们惊讶的是，我们发现细胞被按一定的规则推拉到某个位置，就像下棋一样。”

该研究结果将于22日发表在《eLife》上。

Carthew和麦考密克工程学院工程科学和应用数学助理教授Madhav Mani是这篇论文的共同通信作者。凯文·加拉格尔(Kevin Gallagher)是这篇论文的第一作者，他是分子生物科学的博士生，也是Carthew实验室的一员。“这项工作帮助我们更好地理解生命是如何构建自身的，”定量生物学家马尼说。“这个过程仍然很神秘。我们研究果蝇的眼睛，因为它是一个模型系统，并教给了我们很多东西。我们可以从生命中学习到许多惊人的工程原理。我们以开放的心态进行这项研究，并对自我组装学到了一些新的东西。”

“通过我们定制的工具，我们能够看到以前没有人见过的东西——眼睛发育的动态视图，”加拉赫说，他也是一名定量生物学家。“这些细胞正在移动的位置完全是一个惊喜。我们所看到的与历史范式不符。这很疯狂。”

这个多学科的团队使用了加拉格尔开发的尖端技术来实时成像，并分析眼睛自组装的动力学。研究人员发现，这种新型的机械动力学与遗传和生化分子相结合，协调了果蝇所完成的生物工程壮举。他们还证明，如果没有正确的机械力，眼睛就不能正确地自我组装。

除了活体成像(在活体成像中，苍蝇的眼睛在身体外保持存活)之外，这项研究的成功还依赖于Gallagher建造的用来识别和跟踪每一个细胞的计算工具。这使得研究人员能够看到每个细胞在10小时内的变化。在一个狭窄的区域内，称为图形的波前，有一个小的细胞级联，细胞被推，然后停止，并推动其他细胞到正确的位置，与熟悉的六边形格子出现。

Carthew是一名长期研究果蝇眼睛的实验生物学家，他说:“50年来，科学家们一直在尝试将发育中的眼睛形象化。”“只有通过实时观看电影，你才能理解发生了什么。凯文是第一个做到这一点的人。”

Carthew说，研究结果可以用于生物工程制造合成视觉传感器，还可以帮助科学家更好地理解自然界中图案是如何形成的。

“如果我们希望能够做到‘真正的’生物工程，就像我们用惰性物质进行工程一样，那么理解机械和化学原理之间的联系是必须的，”Mani说。

这项研究由美国国立卫生研究院(批准R35GM118144)、美国国家科学基金会(批准1764421)和西蒙斯基金会(批准597491)支持。

Journal Reference:

1. Kevin D Gallagher, Madhav Mani, Richard W Carthew. Emergence of a geometric pattern of cell fates from tissue-scale mechanics in the Drosophila eye. eLife, 2022; 11 DOI: 10.7554/eLife.72806