Berbagai bentuk organisme multiseluler kompleks telah berevolusi di Bumi, mulai dari Volvox carterii sederhana yang hanya memiliki 2 tipe sel hingga kita manusia dengan lebih dari 200 tipe sel. Semua berasal dari zigot bersel tunggal, dan proses perkembangannya bergantung pada regulasi gen seperti saklar. Proses ini telah dipelajari dengan sangat rinci dalam beberapa organisme model seperti cacing C. elegans , dan lalat buah D. melanogaster . Juga diketahui bahwa molekul dan mekanisme kunci yang terlibat dalam perkembangan organisme multiseluler sangat lestari antar spesies.
Yang juga luar biasa adalah bahwa hanya segelintir molekul dan mekanisme yang masuk ke dalam perkembangan organisme multiseluler yang dapat menghasilkan keragaman bentuk dan kompleksitas yang begitu besar. Baru-baru ini, para peneliti dari Center for Soft and Living Matter dalam Institute for Basic Science menyelidiki bagaimana hal ini mungkin dilakukan dengan menggunakan model matematika sederhana. Melalui karya ini, mereka berusaha menjawab dua pertanyaan yang tampaknya berlawanan: apa batas keanekaragaman yang dapat dihasilkan melalui perkembangan, dan ciri-ciri umum apa yang dimiliki oleh semua organisme multiseluler selama perkembangannya.
Tiga proses umum untuk perkembangan biologis di semua organisme multiseluler: pembelahan sel, pensinyalan seluler, dan regulasi gen. Dengan demikian, model penelitian ini menghasilkan jutaan aturan ini dan menjelajahinya dengan cara yang tidak bias. Pemetaan yang dihasilkan oleh model mewakili bagaimana satu jenis sel berubah menjadi yang lain selama masa hidup organisme. Secara tradisional, peta tipe sel sebelumnya berdasarkan transkriptomik sel tunggal bias menjadi seperti pohon, dengan sel induk duduk di akar pohon, dan sel yang semakin terspesialisasi muncul di hilir sepanjang cabang pohon. Namun, peta tipe sel yang dihasilkan oleh model matematika baru jauh dari seperti pohon; ditemukan bahwa ada banyak hubungan silang antara cabang-cabang yang berbeda dari jenis sel. Ini menghasilkan grafik asiklik terarah, dan garis keturunan pohon ditemukan paling sedikit. Ini berarti bahwa mungkin untuk beberapa rute perkembangan untuk berkumpul pada tipe sel terminal dalam peta yang dihasilkan oleh model.
Anehnya, juga ditemukan bahwa banyak organisme yang dihasilkan oleh model matematika diberkahi dengan kemampuan untuk meregenerasi sel-sel yang hilang, tanpa seleksi yang dipaksakan oleh penulis. Ketika satu jenis sel diisolasi dari organisme dewasa, sel tunggal dapat berubah menjadi dan mengisi kembali semua jenis sel lainnya. Kemampuan untuk menghasilkan semua sel tubuh ini disebut pluripotensi, dan sel-sel ini memberikan organisme dalam model kemampuan regenerasi seluruh tubuh. Menariknya, sebagian besar garis keturunan tipe pohon mengandung beberapa sel berpotensi majemuk, dibandingkan dengan tipe grafik lainnya.
Sementara mamalia, termasuk manusia, sangat buruk dalam meregenerasi bagian yang rusak, banyak hewan seperti cacing dan hydra, sangat baik dalam kemampuan ini. Faktanya, regenerasi seluruh tubuh terjadi secara luas di seluruh pohon kehidupan hewan multiseluler, dan oleh karena itu telah dihipotesiskan bahwa regenerasi seluruh tubuh dapat menjadi epifenomenon perkembangan biologis itu sendiri. Fakta bahwa pluripotensi terjadi dalam model yang sangat sederhana ini menunjukkan bahwa sifat ini memang mungkin muncul karena proses perkembangan itu sendiri, dan tidak diperlukan komponen tambahan khusus untuk menempatkannya pada tempatnya.
Selain hasil-hasil tersebut, diharapkan kerangka model ini dapat digunakan untuk mempelajari lebih banyak aspek pembangunan. Model generatif ini sederhana dan modular, dan dapat dengan mudah diperluas untuk mengeksplorasi proses-proses penting yang tidak termasuk dalam penelitian ini, seperti efek pengaturan spasial sel dan efek kematian sel. Para peneliti selanjutnya menggambarkan beberapa kemungkinan eksperimen kehidupan nyata untuk menguji beberapa prediksi yang dibuat oleh model matematika mereka. Kerangka model ini diharapkan akan berguna untuk mengungkap fitur-fitur baru perkembangan, yang mungkin memiliki berbagai implikasi dalam biologi perkembangan dan kedokteran regeneratif.
