Hoe een embryo informatie decodeert

Celgeometrie stuurt hersenontwikkeling

Belgisch-Frans onderzoek toont aan dat niet alleen biochemische signalen, maar ook de fysieke contactoppervlakte tussen cellen bepalend is voor vroege neurale ontwikkeling. De studie werpt nieuw licht op hoe biologische systemen informatie optimaal verwerken, met mogelijke implicaties tot ver buiten de embryologie.

De ontwikkeling van het zenuwstelsel is een van de meest verfijnde processen in de biologie. Al vroeg in de embryogenese moeten cellen beslissen welk lot ze zullen aannemen, vaak op basis van subtiele signalen uit hun omgeving. In een studie gepubliceerd in PRX Life onderzoeken wetenschappers van VUB (Sophie de Buyl, Rossanna Bettoni en Aleksandra Walczak), ULB (Geneviève Dupont) en internationale partners hoe die beslissingen worden gestuurd door een combinatie van moleculaire signalering en celgeometrie

Het onderzoek focust op ascidianen, eenvoudige mariene organismen met een opvallend voorspelbare embryonale ontwikkeling. Bij deze dieren leidt een signaalmolecule – fibroblast growth factor (FGF) – via activatie van het ERK-signaalpad tot neurale inductie. Opmerkelijk is dat alle betrokken cellen aan dezelfde FGF-concentratie worden blootgesteld, maar toch slechts een deel een neurale identiteit ontwikkelt.

Wiskundige modellen

De sleutel blijkt te liggen in de oppervlakte van het celmembraan die effectief contact maakt met FGF-producerende buurcellen. Met behulp van wiskundige modellen en informatietheorie tonen de onderzoekers aan dat cellen hun contactoppervlak zó “instellen” dat de informatieoverdracht tussen FGF en ERK maximaal is. Anders gezegd: niet méér signaal is beter, maar een optimale balans tussen signaalsterkte en ruis.

De studie laat zien dat er voor elke cel een ideaal contactoppervlak bestaat dat de grootste onderscheidbaarheid tussen verschillende ontwikkelingsuitkomsten mogelijk maakt. Wanneer meerdere cellen samen strijden om een beperkte FGF-bron, ontstaat zelfs spontane asymmetrie: sommige cellen nemen meer contactoppervlak in, andere minder, wat leidt tot verschillende ERK-activatieniveaus en dus verschillende lotsbestemmingen.

Optimale oppervlakken

Opvallend is dat de theoretisch berekende optimale oppervlakken nauw overeenkomen met de werkelijk gemeten celcontacten in embryo’s. Dat suggereert dat de embryonale geometrie niet toevallig is, maar het resultaat van evolutionaire optimalisatie van informatieverwerking.

Hoewel het hier om fundamenteel onderzoek gaat, raakt het aan een bredere medische realiteit. Ook in menselijke weefsels spelen ERK-signalen een cruciale rol bij celproliferatie, differentiatie en oncogenese. Het idee dat fysieke context en cel-celcontact even belangrijk zijn als chemische signalen, sluit aan bij recente inzichten in kankerbiologie, weefselregeneratie en ontwikkelingsstoornissen.

De auteurs benadrukken dat ontwikkeling niet louter een kwestie is van genetische instructies, maar van een voortdurende wisselwerking tussen signaalnetwerken, mechanica en geometrie. Voor de geneeskunde onderstreept dit hoe voorzichtig extrapolaties moeten gebeuren van gestandaardiseerde modellen naar complexe biologische realiteit.

Deze studie bevestigt dat het begrijpen van ziekte en ontwikkeling vraagt om een integratie van moleculaire biologie, fysica en systeemdenken. Soms zit de doorslaggevende informatie niet in de concentratie van een molecule, maar in de ruimte die een cel inneemt.

Bettoni R. et al., Optimizing Information Transmission in Neural Induction Constrains Cell Surface Contacts of Ascidian Embryos, PRX Life (2025)