19 세기 초,전기의 본질은 과학자들에게 수수께끼로 남아있었습니다. 시대의 실험은 불꽃이 죽은 개구리’근육이 트 만들 수 있음을 보여 주었다,또는 메리 셸리의 유명한 소설 영감을 수도 경련—초자연적 인 사료에 인간의 시체를 설정,프랑켄슈타인. 200 년이 지난 후에도 전기가 인체에 작용하는 모든 방식은 여전히 완전히 이해되지 않았습니다. 그러나 전기 신호가 신체의 초기 발달에 중요한 역할을한다는 것은 분명합니다.
터프 츠 대학의 마이클 레빈과 같은 과학자들은 세포 전하가 발달중인 배아에서 구조가 어떻게 그리고 어디서 형성되는지를 제어한다는 것을 발견했다. 더욱 놀라운,그는 단지 그 세포의 전압 패턴을 변경하여 신체 형태를 조작 할 수 있다는 것을 발견했다.
이 기본 기술을 사용하여 레빈과 그의 동료들은 올챙이 뒤에서 기능하는 제 3 의 눈을 성공적으로 성장 시켰습니다. 그들은 형성에서 키 신경 구조를 차단하여 개구리 배아에 뇌 손상을 유발 한-다음 개발 뇌 세포의 전기 요금을 변경하여 손상을 반전. 이 작품은 여전히 깊이 실험적이지만,레빈은 의학,생물학 및 생화학 분야에 큰 영향을 미칠 수 있다고 생각합니다. 그는 어느 날 생체 전기를 사용하여 자궁의 선천적 결함을 되돌리고 암을 치료하거나 절단 수술자에게 새로운 팔다리를 키울 것을 상상합니다.
레빈,터프 츠에서 알렌 디스커버리 센터의 이사 및 기사의 공동 저자 2017 주제에 생물 의학 공학의 연례 검토,최근 생체 연구의 상태와 미래 전망에 대한 자신의 생각에 대해 알 수있는 잡지와 이야기. 이 대화는 길이와 명확성을 위해 편집되었습니다.
생물학의 맥락에서”전기 신호”는 실제로 무엇을 의미합니까?
음,모든 세포를 둘러싸고있는 막에는 세포 안팎으로 이온—하전 된 원자—를 움직일 수있는 내장 된 단백질이 있습니다. 칼륨,염화물,나트륨,양성자 등과 같은 것들. 그리고 필연적으로,막의 한쪽에 더 많은 하전 된 이온을 첨가하면 세포 표면을 가로 질러 전기 전위를 생성합니다. 그것은 기본적으로 배터리의 한쪽이 다른 쪽과 다른 양의 충전량을 갖는 배터리에서 일어나는 일입니다.
세포가 실제로 이러한 전하를 사용하여 통신 할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이 신호들은 우리가 신경계에 대해 듣는 데 익숙한 충동보다 훨씬 느리게 행동합니다.정보 흐름을위한 밀리 초 시간 척도에 대해 이야기하고 있지만 발달 생물 전기에서는 몇 분 또는 몇 시간에 대해 이야기하고 있습니다. 그러나 궁극적으로 세포 사이의 전기 잠재력은 특정 조직이나 구조가 어떻게 발달 하는지를 결정할 수 있습니다.
이러한 전기 신호는 신체의 발달에 정확히 어떤 영향을 미칩니 까?
생체 신호는 일종의 고급 마스터 레귤레이터 스위치 역할을합니다. 조직을 가로지르는 그들의 공간적 분포와 강도는 배아의 한 부위를 알려줍니다.좋아,당신은 눈이 될거야,또는 당신은 특정 크기의 두뇌가 될거야,또는 당신은 사지가 될거야,또는 당신은 몸의 왼쪽으로 갈거야,그런 종류의 것.
이 올챙이의 꼬리에있는 구체는 실제로 발달하는 개구리 눈입니다. 이식 된 조직을 특정 신경 전달 물질 약물에 노출시킴으로써 과학자들은 신경 조직을 동축 케이블로 성장시킬 수있었습니다. 이것은 성공적으로 개발 올챙이의 척수에 연결,뇌에 시각 정보를 전송하고 그렇지 않으면 눈먼 올챙이 볼 수 있도록.
신용:앨런 디스커버리 센터,터프 츠 대학
실제로 개구리 배아에서 형성되는 것을 볼 수 있습니다. 예를 들어,전기적으로 민감한 염료는 우리가”전기 얼굴”이라고 부르는 패턴,즉 얼굴의 모든 부분이 나중에 형성 될 위치를 나타내는 조직을 가로 지르는 전기 그라디언트를 나타냅니다. 그것은 해부학의 주요 기능에 대한 미묘한 발판처럼,지역 세부 사항의 많은 또는 생물 전기를 포함하지 않을 수 있습니다 다른 프로세스에 의해 채워지는 것 같다 동안. 발달중인 배아에서 전기 신호를 바꾸면 그 구조가 어떻게 그리고 어디서 형성되는지에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
특정 기관에서 어떻게 작동하는지 예를 들어 줄 수 있습니까?
확실한. 우리가 몇 년 전에 연구하고 싶었던 것 중 하나는 이식 된 세포와 조직이 외국 환경에서 어떻게 발전 할 것인가입니다. 우리는 한 개구리 배아에서 초기 눈 구조를 가져 와서 다른 배아의 등에 이식했습니다. 우리는 두 가지에 관심이 있었다:첫째,수신자는 뒷면에 그 이식 눈에서 볼 수있을 것인가? 뇌 플라스틱이 실제로 그것을 볼 수있을 정도로 충분합니까? 둘째,우리는 알고 싶었습니다.이 눈 구조는 근처에 뇌가 없으면 무엇을 할 것입니까? 뉴런들은 무엇을 할 것인가?
우리가 발견 한 것은 당신이 개발 올챙이의 뒤쪽에 그 구조를 이식 할 때,눈 세포는 기능 망막과 시신경을 만들어 일종의 주위에 구불 구불하고 척수 어딘가에 연결을 시도합니다. 당신이 임플란트를 둘러싼 세포의 전기 잠재력을 낮추면,눈의 구조는 미친 간다,그리고 그것에서 나오는 새로운 신경의 거대한 숫자를 만든다.
신흥 뉴런은 그들이 앉아있는 조직의 전기 신호를 읽을 수 있음이 밝혀졌습니다. 그 조직의 세포가 편광 휴식 가능성이있는 경우—그들은 각 세포 내부에 음전하를 축적 한 것을 의미-이식 된 눈은 시신경을 형성하고 그것의 끝입니다. 하지만 만약 이 세포들이 탈분극성이거나 낮은 전하를 가지고 있다면,그것은 뉴런이 매우 심오한 방식으로 자라나는 신호를 줍니다. 그래서 우리는 이것이 세포가 환경의 전기적 지형을 읽고 그 정보를 바탕으로 성장 결정을 내리는 예라고 생각합니다.
반으로 썰어 질 때 편평충은 일반적으로 신체의 누락 된 부분을 다시 자랄 수 있습니다. 그 세포’전기 요금을 조작함으로써,그러나,과학자들은 이러한 부분의 재생 제어 할 수 있습니다. 편평 벌레의 세포에서 하전 된 이온의 정상적인 유입과 유출 물을 차단함으로써,그들은 재생 조직의 양쪽에서 과분극 상태를 만들 수 있으며,이는 벌레가 두 개의 꼬리를 자라도록 유도합니다. 또는 탈분극 상태를 만들어 절단 된 꼬리를 대체 할 두 번째 머리를 형성 할 수 있습니다.
눈 임플란트 주변의 생체 신호를 바꾸면 올챙이의 신경계로 자라나요?
예. 뿐만 아니라 그것은 완전한 눈 구조로 성장하고 있다,그러나 또한 기능적이다. 당신이 올챙이의 기존 눈을 제거하는 경우,임플란트는 달리 맹인 동물이 색상과 움직이는 모양을 볼 수 있습니다. 우리 연구에서,우리는 눈이 먼 올챙이를 액정 모니터 위의 얕은 접시에 넣고 작은 검은 색 삼각형으로 그들을 쫓아 냈습니다. 올챙이는 삼각형의 움직임에 반응하여 일관되게 수영했습니다. 우리는 그들이 정상적인 올챙이와 같은 시력을 가지고 있는지 알 수는 없지만 이식 된 새로운 눈에서 확실히 볼 수 있습니다.
18 세기 중반에 활동,루이지 갈바니는 전기 신호가 몸에 근육을 활성화하는 방법에 정액 실험을했다-전극을 재핑 후 트 죽은 개구리의 다리를 만들기(그림)—생체 전기를 발견 한 최초의 과학자 중 하나였습니다.
제공:루이지 갈바니/위키 미디어 공용
세포 또는 조직의 전기적 상태를 어떻게 조작 할 수 있습니까?
우리는 세포에서 이온 채널을 표적으로하는 약물로 그것을 할 수 있습니다. 지금,거기 밖으로 모든 약물의 20%같은 것은 이온 채널 약물,사람들이 간질 및 기타 질병에 걸릴 것들,그래서 그들은 찾기 어렵지 않다. 우리 연구실에서는 특히 신체의 특정 부위를 대상으로 하는 약물 칵테일을 만들고 있습니다. 예를 들어,피부의 전압을 목표로 삼고 싶다면 피부 세포에서만 표현되는 이온 채널을 열거 나 닫는 약물을 사용할 수 있습니다. 당신은 조정 약물의 칵테일은 신체의 다른 부분에 다른 반응을 일으킬 수 있습니다.
당신은 컴퓨터 과학자로 이 분야에서 시작했습니다. 당신은 컴퓨터에 대한 코딩 및 생물학적 환경에서 전기 신호를 조정 사이의 유사점을 볼 수 있습니까?
절대적으로. 기본적인 수준에서,나는 시스템의 정보 처리 및 알고리즘에 대한 관심. 그 시스템이 실리콘 또는 살아있는 세포로 만들어진다면 그것은 중요하지 않습니다. 저는 컴퓨터 과학자이지만 살아있는 미디어에서 계산과 정보 처리를 공부하고 있습니다.
컴퓨터 과학 배경을 가진 사람들은 정보 과학의 근본적인 것이 컴퓨터 자체가 아니라 계산을 만드는 방식이라는 것을 이해합니다. 많은 다른 아키텍처와 매우 독특한 종류의 프로세스를 사용하여 계산을 수행 할 수 있습니다. 사람들은 이상한 액체,점액 곰팡이,심지어 개미로 컴퓨터를 만들었습니다. 그래서 저는 컴퓨터 과학이 생물학 분야에서 가르칠 수 있는 가장 중요한 것 중 하나는 소프트웨어와 하드웨어의 차이라고 생각합니다.
전기 얼굴이라고 무엇을 발견 마이클 레빈의 동료 대니 아담스는 생체 신호가 개구리 배아(제노 푸스 라비스)를 개발하는 얼굴 특징의 건설을 지시하는 데 도움이 방법을 보여이 시간 경과 비디오를 만들었습니다. 전기 잠재력을 표시 형광 염료를 사용하여,밝은 세포는 자신의 주차 이웃보다 과분극(더 음으로 하전 된)입니다.
생물학과 화학에서 신체의”하드웨어”—그 안에있는 세포와 분자—가 전부입니다. 그러나 우리는 이러한 특별한 종류의 하드웨어가 실제로 다양한 종류의 소프트웨어를 실행할 수 있다는 사실에 머리를 감싸 야합니다.
생물학적 의미에서”소프트웨어”는 무엇을 의미합니까?
이 경우”소프트웨어”는 세포가 특정 구조 또는 조직을 만들기 위해 어떻게 협력하는지에 대한 결정입니다. 즉 변경 될 수 있습니다. 편평충을 머리 한 개로 잡고 세포의 전기 신호를 간단히 변경하여 두 개의 머리가 있는 새로운 패턴을 기억하도록 할 수 있습니다. 같은 웜 세포를 가지고 있다는 사실에도 불구하고,당신은 다른 결과를 얻을. 그리고 소프트웨어와 하드웨어의 차이는 재생의학과 합성생물학의 큰 문제들을 다루면서 매우 중요할 것입니다.
의료 세계에서 어떤 응용 프로그램을 가질 수 있습니까?
나는 그것에 대해 많이 생각합니다. 가장 명백한 것은 선천적 결함을 고치는 것과 같은 것입니다. 우리가 이해하고 생체 신호를 조작 할 수 있다면,우리는 잠재적으로 배아 형태로 잘못 일을 복구 할 수 있습니다. 그 중 하나입니다. 우리는 실제로 실험실에서 동물 배아에 몇 가지 선천적 결함을 유도 한—그들을 수리-특정 세포의 전기 잠재력을 변경하여.
다른 하나는 암과 싸우고 있습니다. 현재 암세포의 원인이자 잠재적 억제제로서 생체 전기 신호에 대한 연구가 상당히 진행되고 있습니다. 당신은 그들의 전기 잠재력을 변경 특정 약물에 노출하여 특정 종양을 정상화 할 수 있습니다. 당신이 사용하는 화합물에 따라,당신은 선택적으로 종양의 것과 같은 세포의 특정 유형에 영향을 미칠 수 있습니다,그대로 주변 조직을 유지하면서. 즉,마우스 모델에서 테스트를위한 거의 준비.
세 번째 영역은 재생 의학입니다. 부상 후 조직과 장기가 자라도록 전기 신호를 사용하여 환자를 위해 전체 구조 나 장기를 대체 할 수 있습니다. 바이오 전기는 당신에게 셀 동작을 조절하는 컨트롤 노브의 큰 새로운 세트를 제공합니다. 우리가 전기 신호와 같은 이러한 대규모 규제를 이해하면 맞게 생물학적 구조를 구축하는 것이 훨씬 쉬울 것이다.
편집자 주: 이 문서는 업데이트 된 8/10/18 터프 트에서 알렌 디스커버리 센터의 이사 레빈의 역할을주의하고 셀에 이온의 설명에 오타를 해결하기 위해. 올챙이가 액정 화면의 검은 색 삼각형에 반응하여 수영하는 방식에 대한 설명도 명확 해졌습니다.