细胞在组织中自我组织成特定模式的能力是生命的普遍特征。斑马的条纹、我们的睫毛、向日葵种子的螺旋形和蛇皮的迷宫图案只是其中的几个例子。

另一个广为人知且研究较多的模式是果蝇的复眼。这只眼睛是一个高度图案化的六角形晶格，由800个感光细胞簇组成。一个无定形的细胞团是如何发展成这种精确而熟悉的模式的?

西北大学的研究人员发现，这种模式的形成涉及机械力，而不仅仅是细胞之间传递的化学信号。使用首创的实时成像，研究人员看到细胞随着眼睛的发育而移动;细胞不像以前认为的那样是静态的。这一重大发现提供了应该扩展到其他模式系统的原则。

温伯格文理学院分子生物科学教授理查德·卡修说：“你所看到的任何地方都有一系列模式。”“但没有大师级的艺术家。在这项研究中，我们试图了解一种模式——一种极美的模式——是如何在体内形成的。令我们惊讶的是，我们发现细胞被推拉到有一定规则的位置，就像下棋一样。”

该研究将于2月22日发表在在线生命科学和生物医学杂志 eLife上。

麦考密克工程学院工程科学和应用数学助理教授Carthew和MadhavMani是该论文的共同通讯作者。凯文加拉格尔，博士分子生物科学专业的学生和Carthew实验室的成员，是该论文的第一作者。

“这项工作有助于我们更好地了解生命是如何自我构建的，”定量生物学家Mani说。“这个过程仍然很神秘。我们研究果蝇眼，因为它是一个模型系统，并被用来教给我们很多东西。有惊人的工程原理可以从生活中学习。我们以开放的心态进行了这项研究，并学到了很多东西。”一些关于自组装的新东西。”

“通过我们定制的工具，我们能够看到以前没有人看到的东西——眼睛发育的动态视图，”同时也是定量生物学家的加拉格尔说。“细胞移动的位置完全令人惊讶。我们所看到的并没有符合历史范式。这太疯狂了。”

多学科团队使用加拉格尔开发的尖端技术来实时成像和分析眼睛自组装的动态。研究人员确定了新的机械动力学，与遗传和生化分子相结合，协调了苍蝇实现的生物工程的非凡壮举。他们还证明，如果没有正确的机械力，眼睛就不能正确地自组装。

除了实时成像(眼睛在苍蝇体外保持活力)之外，这项研究的成功还取决于加拉格尔建立的一种计算工具，用于识别和跟踪每一个细胞。这使研究人员能够在10小时内看到每个细胞的去向。在一个称为图案波前的狭窄区域内，有一些细胞被推动，然后停止并将其他细胞推到正确的位置，出现了熟悉的六边形晶格。

长期研究果蝇眼睛的实验生物学家Carthew说：“科学家们已经尝试了50年来观察发育中的眼睛。”“只有实时看电影，你才能明白发生了什么。凯文是第一个做到这一点的人。”

Carthew说，研究结果可用于生物工程以制造合成视觉传感器，此外还可以帮助科学家更好地了解自然界中模式的形成方式。

“如果我们希望能够进行‘真正的’生物工程，就像我们用惰性物质进行工程设计一样，那么理解机械原理和化学原理之间的联系是必须的，”Mani说。