na počátku devatenáctého století zůstala povaha elektřiny pro vědce záhadou. Experimenty z éry ukázal, že jiskra by mohla dělat mrtvé žáby svaly škubnutí, nebo dokonce nastavit lidské mrtvoly do křeče — nadpřirozené krmiv, které mohou mít inspirovalo Mary Shelley je slavný román Frankenstein. O více než 200 let později nejsou všechny způsoby, jak elektřina působí v lidském těle, stále zcela pochopeny. Je však zřejmé, že elektrické signály hrají hlavní roli v raném vývoji těla.
Vědci jako Michael Levin z Tufts University zjistili, že buněčné náklady řízení, jak a kde strukturu tvoří v vyvíjejícího se embrya. Ještě překvapivější je, že zjistil, že je možné manipulovat s tělesnými formami pouze změnou napěťových vzorců jeho buněk.
pomocí této základní techniky Levin a jeho kolegové úspěšně pěstovali funkční třetí oči na zádech pulců. Vyvolali poškození mozku v žabích embryích blokováním tvorby klíčových nervových struktur — a poté zvrátili poškození změnou elektrického náboje vyvíjejících se mozkových buněk. Ačkoli je tato práce stále hluboce experimentální, Levin si myslí, že by mohla mít zásadní dopad na oblasti medicíny, biologie a biochemie. Představuje si jeden den pomocí bioelektřiny zvrátit vrozených vad v děloze, léčbě rakoviny, nebo dokonce rostou nové končetin po amputaci.
Levin, ředitel Allen Discovery Center na Tufts a spoluautor článku v roce 2017 Roční Recenzi Biomedicínského Inženýrství na téma , nedávno mluvil s Poznatelným Časopis o stavu bioelektrické výzkumu a jeho myšlenky na jeho budoucí vyhlídky. Tato konverzace byla upravena pro délku a jasnost.
co v souvislosti s biologií vlastně znamená „elektrický signál“?
v membráně, která obklopuje každou buňku, jsou vložené proteiny, které mohou přesouvat atomy nabité ionty-dovnitř a ven z buňky. Věci jako draslík, chlorid, sodík, protony a tak dále. A nevyhnutelně, pokud přidáte více nabitých iontů na jednu stranu membrány, vygenerujete elektrický potenciál napříč povrchem buňky. To je v podstatě to, co se děje v baterii, kde jedna strana baterie má jiné množství nabití než druhá.
Ukazuje se, že buňky mohou tyto poplatky skutečně použít ke komunikaci. Tyto signály jsou mnohem pomalejší-herectví, než impulsy jsme zvyklí slýchat o v nervovém systému — tam, mluvíte o milisekundu času, váhy pro tok informací, ale ve vývojové energie, mluvíš minut nebo dokonce hodin. Nakonec však elektrický potenciál mezi buňkami může určit, jak se vyvíjejí určité tkáně nebo struktury.
jak přesně tyto elektrické signály ovlivňují vývoj v těle?
bioelektrické signály slouží jako druh spínače hlavního regulátoru na vysoké úrovni. Jejich prostorové rozložení v tkáních a intenzita říká oblasti embrya, OK, budete oko, nebo budete mozek určité velikosti, nebo budete končetina, nebo půjdete na levou stranu těla, takové věci.
koule na ocasu tohoto pulec je ve skutečnosti vyvíjející se žabí oko. Vystavením implantované tkáně, některých neurotransmiterů drogy, vědci byli schopni přemluvit nervová tkáň roste z něj. Úspěšně připojen k rozvíjení pulec míchu, odesílání vizuální informace do mozku a nechat jinak slepý pulec vidět.
KREDIT: ALLEN DISCOVERY CENTER, TUFTS UNIVERSITY
můžete skutečně vidět tvořící v žabí embrya. Například, elektricky citlivých barviv ukazují vzor, který nazýváme „elektrické tvář“ — elektrické přechody přes tkáně, která ležela tam, kde všechny části obličeje se bude tvořit později. Je to jako subtilní skelet pro hlavní funkce, anatomie, zatímco mnoho místních detaily se zdají být vyplněny jinými procesy, které mohou nebo nemusí zahrnovat elektrické energie. Pokud změníte tyto elektrické signály v vyvíjejícím se embryu, může to mít zásadní vliv na to, jak a kde se tvoří jeho struktury.
můžete uvést příklad toho, jak to funguje na konkrétním orgánu?
jistě. Jedna z věcí, kterou jsme chtěli studovat před několika lety, je, jak se budou transplantované buňky a tkáně vyvíjet v cizím prostředí. Vzali jsme strukturu raného oka z jednoho žabího embrya, a implantoval to na záda jiného embrya. Zajímaly nás dvě věci: Za prvé, byl by příjemce schopen vidět z toho implantovaného oka na zádech? Je mozek dostatečně plastický, aby z něj mohl skutečně vidět? Za druhé, chtěli jsme vědět, co bude tato oční struktura dělat bez mozku poblíž? Kde se bude spojovat a co budou neurony dělat?
Co jsme objevili je, že když si implantát, který struktury v rozvojových pulec je zpět, oko buněk vytvořit funkční sítnice a optického nervu, který druh se vine kolem a snaží se připojit až v míše někde. Ale pokud snížíte elektrický potenciál buněk obklopujících implantát, struktura oka se zblázní a vytvoří z ní obrovské množství nových nervů.
ukazuje se, že vznikající neurony mohou číst elektrické signály tkáně, na které sedí. Pokud mají buňky v této tkáni polarizovaný klidový potenciál-což znamená, že nahromadily negativní náboje uvnitř každé buňky-implantované oko tvoří optický nerv a tím to končí. Ale pokud jsou depolarizované nebo mají nižší náboj, dává to neuronům signál k přemnožení. Myslíme si, že toto je příklad buněk, které čtou elektrickou topografii svého prostředí a na základě těchto informací rozhodují o růstu.
Když nakrájené na polovinu, tasemnice může normálně dorůst chybějící části jeho těla. Manipulací s elektrickým nábojem buněk však vědci mohou řídit, která z těchto částí se regeneruje. Tím, že blokuje normální příliv a outflux nabitých iontů z tasemnice buňky, mohou vytvořit hyperpolarized státu, na obou stranách se regenerující tkáně, které vyzve červa, aby růst dva ocasy. Nebo mohou vytvořit depolarizovaný stav, což vede k vytvoření druhé hlavy, která nahradí amputovaný ocas.
Takže pokud změníte bioelektrické signály kolem oka implantát, roste do pulec nervový systém?
Ano. Nejen, že roste do kompletní oční struktury, ale je také funkční. Pokud odstraníte stávající oči pulec, implantát umožní jinak slepým zvířatům vidět barvy a pohyblivé tvary. V naší studii jsme zaslepené pulce vložili do mělké misky na LCD monitor a honili je malými černými trojúhelníky. Pulci důsledně plavali v reakci na pohyb trojúhelníků. Nejsme schopni říct, jestli mají stejnou zrakovou ostrost jako normální pulci, ale určitě vidí z toho nového implantovaného oka.
Aktivní v polovině-osmnáctého století Luigi Galvani udělal zásadní experimenty, jak elektrické signály aktivovány svaly v těle — takže nohy mrtvé žáby škubat po odbouchnutí s elektrodami (na obrázku) — a byl mezi prvními vědci objevit bioelektřiny.
KREDIT: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
Jak se vám jít o manipulaci elektrické stavu buňky nebo tkáně?
můžeme to udělat s léky, které se zaměřují na iontové kanály v buňkách. Právě teď, něco jako 20 procent všech léků tam venku jsou ion-kanálové léky, věci, které lidé berou na epilepsii a jiné nemoci, takže není těžké je najít. V naší laboratoři speciálně vyrábíme drogové koktejly, které cílí na konkrétní oblasti těla. Pokud byste například chtěli zaměřit napětí kůže, mohli bychom použít lék, který otevírá nebo uzavírá iontové kanály exprimované výhradně v kožních buňkách. Naladění léky způsobit různé reakce v různých částech těla.
začínal jste v této oblasti jako počítačový vědec. Vidíte paralely mezi kódováním počítače a vyladěním elektrických signálů v biologickém prostředí?
absolutně. Na základní úrovni mi záleží na zpracování informací a algoritmech v systému. Nezáleží na tom, zda je tento systém vyroben z křemíku nebo živých buněk. Podle mého názoru jsem počítačový vědec, ale studuji výpočty a zpracování informací v živých médiích.
Lidé, kteří mají počítačové vědy pozadí, pochopit, že to, co je zásadní, o informačních věd není počítač sám — je to tak, jak to dělá výpočty. K provedení výpočtu lze použít mnoho různých architektur a velmi odlišných druhů procesů. Lidé vyrobili počítače z podivných tekutin, slizových forem, dokonce i mravenců. Takže si myslím, že jedna z nejdůležitějších věcí, kterou by Informatika mohla naučit biologii, je toto rozlišení mezi softwarem a hardwarem.
Michaela Levina kolegyně Dany Adams, který objevil to, co se nazývá elektrický tvář, vytvořil tento time-lapse video, které ukazuje, jak bioelektrické signály pomoc přímá konstrukce obličejové rysy v rozvojových žabí embrya (Xenopus laevis). Pomocí fluorescenčních barviv, která označují elektrický potenciál, jsou jasné buňky hyperpolarizovány (záporněji nabité) než jejich stmívací sousedé.
v biologii a chemii je „hardware“ těla — buňky a molekuly uvnitř — všechno. Ale musíme zabalit naše hlavy kolem skutečnosti, že tyto speciální druhy hardwaru mohou ve skutečnosti provozovat mnoho různých druhů softwaru.
co myslíte tím „software“ v biologickém smyslu?
„software“ je v tomto případě rozhodnutí o tom, jak buňky spolupracují, aby vytvořily určitou strukturu nebo tkáň. To se dá změnit. Můžete si vzít ploštěnci s jednou hlavou a krátkým mění elektrické signály v jejich buňky, přimět je, aby si nový model, který má dvě hlavy. Navzdory skutečnosti, že máte stejné červí buňky, získáte jiný výsledek. A tento druh rozlišování mezi softwarem a hardwarem bude opravdu zásadní, protože v budoucnu řešíme velké problémy regenerativní medicíny a syntetické biologie.
jaké aplikace by to mohlo mít v lékařském světě?
o tom hodně přemýšlím. Nejviditelnější jsou věci, jako je oprava vrozených vad. Pokud dokážeme pochopit a manipulovat s bioelektrickou signalizací, mohli bychom potenciálně opravit věci, které se pokazí, když se vytvoří embryo. To je jedna. Ve skutečnosti jsme vyvolali některé vrozené vady na zvířecích embryích v laboratoři — a opravili je-změnou elektrického potenciálu určitých buněk.
další bojuje proti rakovině. Nyní se provádí značné množství výzkumu bioelektrických signálů jako příčiny i potenciálního supresoru rakovinných buněk. Některé nádory můžete normalizovat tím, že je vystavíte specifickým lékům, které mění jejich elektrický potenciál. V závislosti na sloučeniny, které používáte, můžete selektivně ovlivnit jen určité typy buněk, jako ty v nádoru, zatímco okolní tkáně neporušené. To je v podstatě připraveno k testování v myších modelech.
třetí oblastí je regenerativní medicína. Pokud dokážeme pomocí elektrické signalizace přesvědčit tkáně a orgány, aby rostly po poranění, mohli bychom nahradit celé struktury nebo orgány pro pacienty. Bioelektricita vám dává skvělou novou sadu ovládacích knoflíků, pomocí kterých můžete regulovat chování buněk. Bude mnohem snazší postavit biologické struktury tak, aby vyhovovaly, jakmile pochopíme tyto rozsáhlé regulátory, jako je elektrická signalizace.
Poznámka redakce: Tento článek byl aktualizován 8/10/18 na vědomí, Levin roli jako ředitel Allen Discovery Center na Tufts a opravit překlep v popisu iontů v buňce. Byl také objasněn popis způsobu, jakým pulci plavali v reakci na černé trojúhelníky na LCD obrazovce.