i begynnelsen av forrige århundre, natur elektrisitet forble et mysterium for forskere. Eksperimenter fra epoken viste at en gnist kunne få døde froskers muskler til å rykke, eller til og med sette menneskelige lik i kramper-overnaturlig mat som kan ha inspirert Mary Shelleys berømte roman, Frankenstein. Mer enn 200 år senere, er alle måtene som elektrisitet virker i menneskekroppen fortsatt ikke helt forstått. Det er imidlertid klart at elektriske signaler spiller en viktig rolle i kroppens tidlige utvikling.
Forskere Som Michael Levin Fra Tufts University har oppdaget at cellulære ladninger kontrollerer hvordan og hvor en struktur dannes i et utviklende embryo. Enda mer overraskende, har han funnet ut at det er mulig å manipulere kroppsformer bare ved å endre spenningsmønstrene til cellene.
Ved hjelp Av Denne grunnleggende teknikken Har Levin og hans kolleger lykkes med å vokse fungerende tredje øyne på ryggen av tadpoles. De har utløst hjerneskade i froskembryoer ved å blokkere viktige nevrale strukturer fra å danne – og deretter reversert skaden ved å endre den elektriske ladningen til de utviklende hjernecellene. Selv Om Dette arbeidet fortsatt er dypt eksperimentelt, mener Levin At Det kan få stor innvirkning på medisin, biologi og biokjemi. Han forestiller seg en dag å bruke bioelektrisitet til å reversere fødselsskader i livmoren, behandle kreft eller til og med vokse nye lemmer på amputerte.
Levin , direktør For Allen Discovery Center Ved Tufts og medforfatter av en artikkel i 2017 Annual Review Of Biomedical Engineering om emnet, snakket nylig med Knowable Magazine om tilstanden til bioelektrisk forskning og hans tanker om fremtidsutsikter. Denne samtalen har blitt redigert for lengde og klarhet.
i sammenheng med biologi, hva betyr egentlig et «elektrisk signal»?
vel, i membranen som omgir hver celle, er det innebygde proteiner som kan flytte ioner-ladede atomer-inn og ut av cellen. Ting som kalium, klorid, natrium, protoner og så videre. Og uunngåelig, hvis du legger til flere ladede ioner på den ene siden av en membran, vil du generere et elektrisk potensial over den celleoverflaten. Det er i utgangspunktet hva som skjer i et batteri, hvor den ene siden av batteriet har en annen mengde ladning enn den andre.
det viser seg at celler faktisk kan bruke disse kostnadene til å kommunisere. Disse signalene er mye langsommere enn impulser vi er vant til å høre om i nervesystemet — der snakker du om millisekund tidsskalaer for informasjonsflyt, men i utviklingsmessig bioelektrisitet snakker du om minutter eller til og med timer. Men til slutt kan det elektriske potensialet mellom celler bestemme hvordan visse vev eller strukturer utvikler seg.
hvordan påvirker disse elektriske signalene utviklingen i kroppen?
Bioelektriske signaler tjener som en slags master regulatorbryter på høyt nivå. Deres romlige fordeling over vev og intensitet forteller en region på et embryo, OK, DU kommer TIL å være et øye, eller du kommer til å være en hjerne av en bestemt størrelse, eller du kommer til å være en lem, ELLER du kommer til venstre side av kroppen, den slags ting.
sfæren på halen av denne tadpole er faktisk et utviklende froskøye. Ved å utsette det implanterte vevet til visse nevrotransmittermedikamenter, var forskerne i stand til å samle nervevev for å vokse fra det. Dette ble vellykket koblet til den utviklende tadpole ryggmargen, sende visuell informasjon til hjernen og la den ellers blinde tadpole se.
KREDITT: ALLEN DISCOVERY CENTER, TUFTS UNIVERSITY
Du kan faktisk se dem dannes i froskembryoer. For eksempel avslører elektrisk følsomme fargestoffer et mønster som vi kaller » elektrisk ansikt — – elektriske gradienter over vevet som legger ut hvor alle delene av ansiktet kommer til å danne senere. Det er som et subtilt stillas for de viktigste funksjonene i anatomien, mens mange av de lokale detaljene ser ut til å bli fylt ut av andre prosesser som kanskje eller ikke involverer bioelektrisitet. Hvis du endrer de elektriske signalene i et utviklende embryo, kan det ha stor effekt på hvordan og hvor dets strukturer dannes.
Kan du gi et eksempel på hvordan det fungerer på et bestemt organ?
Sikkert. En av tingene vi ønsket å studere for noen år tilbake, er hvordan transplanterte celler og vev vil utvikle seg i et fremmed miljø. Vi tok den tidlige øye strukturen fra ett froskembryo, og implanterte det på et annet embryos rygg. Vi var interessert i to ting: For Det Første ville mottakeren kunne se ut av det implanterte øyet på ryggen? Er hjernen plast nok til å kunne se ut av det? For det andre ønsket vi å vite, hva skal denne øyestrukturen gjøre uten en hjerne i nærheten? Hvor skal det koble til, og hva skal nevronene gjøre?
det vi oppdaget er at når du implanterer den strukturen i en utviklende tadpole tilbake, lager øyecellene en funksjonell retina og optisk nerve som slags bukter seg rundt og prøver å koble seg opp i ryggmargen et sted. Men hvis du senker det elektriske potensialet til cellene rundt implantatet, blir øyestrukturen gal, og gjør et stort antall nye nerver som kommer ut av det.
det viser seg at nye nevroner kan lese de elektriske signalene til vevet de sitter på. Hvis cellene i det vevet har et polarisert hvilepotensial — noe som betyr at de har akkumulert negative ladninger inne i hver celle-danner det implanterte øyet en optisk nerve, og det er slutten av det. Men hvis de er depolarisert, eller har en lavere ladning, gir det nevronene et signal om å overgrow på en veldig dyp måte. Så vi tror dette er et eksempel på celler som leser den elektriske topografien i deres miljø, og tar vekstbeslutninger basert på den informasjonen.
når skåret i to, kan en flatworm normalt regrow manglende deler av kroppen sin. Ved å manipulere cellens elektriske ladning, kan forskere imidlertid kontrollere hvilke av disse delene som regenereres. Ved å blokkere normal tilstrømning og outflux av ladede ioner fra flatworms celler, kan de skape en hyperpolarisert tilstand i begge sider av regenererende vev, som ber ormen å vokse to haler. Eller de kan skape en depolarisert tilstand, som fører til dannelsen av et andre hode for å erstatte den amputerte halen.
så hvis du endrer de bioelektriske signalene rundt øyeimplantatet, vokser det inn i tadpolens nervesystem?
Ja. Ikke bare vokser det til en komplett øyestruktur, men det er også funksjonelt. Hvis du fjerner rumpetroll eksisterende øyne, implantatet lar ellers blinde dyr se farger og bevegelige former. I vår studie satte vi blinde tadpoles i en grunne tallerken på TOPPEN av EN LCD-skjerm, og jaget dem rundt med små svarte trekanter. Tadpoles svømte konsekvent som svar på trekantens bevegelse. Vi kan ikke fortelle om de har samme synsstyrke som vanlige tadpoles, men de kan definitivt se ut av det nye implanterte øyet.
Aktiv i midten av det attende århundre gjorde Luigi Galvani seminal eksperimenter på hvordan elektriske signaler aktiverte muskler i kroppen-noe som gjorde beina til en død frosktrekning etter å ha zappet dem med elektroder (vist) — og var blant de første forskerne som oppdaget bioelektrisitet.
KREDITT: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
Hvordan går du om å manipulere den elektriske tilstanden til cellen eller vevet?
Vi kan gjøre Det med stoffer som retter seg mot ionkanaler i celler. Akkurat nå, noe som 20 prosent av alle stoffer der ute er ionkanal narkotika, ting folk tar for epilepsi og andre sykdommer, så de er ikke vanskelig å finne. I vårt laboratorium lager vi spesielt stoffcocktailer som retter seg mot bestemte områder av kroppen. Hvis du ønsket å målrette spenningen i huden, for eksempel, kan vi bruke et stoff som åpner eller lukker ionekanaler uttrykt utelukkende i hudceller. Du tune cocktail av narkotika for å forårsake ulike reaksjoner i ulike deler av kroppen.
du startet på dette feltet som datavitenskapsmann. Ser du paralleller mellom koding for en datamaskin og tilpasning av elektriske signaler i en biologisk innstilling?
Absolutt. På et grunnleggende nivå bryr jeg meg om informasjonsbehandling og algoritmer i et system. Det spiller ingen rolle om systemet er laget av silisium eller levende celler. Etter min mening er jeg en datavitenskapsmann, men jeg studerer beregning og informasjonsbehandling i levende medier.
Folk som har en datavitenskapsbakgrunn, forstår at det som er grunnleggende om informasjonsvitenskap, ikke er selve datamaskinen — det er måten det gjør beregninger på. Mange forskjellige arkitekturer og svært forskjellige typer prosesser kan brukes til å utføre en beregning. Folk har laget datamaskiner av rare væsker, slimformer, til og med maur. Så jeg tror en av de viktigste tingene som datavitenskap kan lære innen biologi er dette skillet mellom programvare og maskinvare.
Michael Levins kollega Dany Adams, som oppdaget det som kalles electric face, skapte denne time-lapse-videoen som avslører hvordan bioelektriske signaler bidrar til å lede konstruksjonen av ansiktsegenskaper ved å utvikle froskembryoer (Xenopus laevis). Ved hjelp av fluorescerende fargestoffer som markerer elektrisk potensial, er de lyse cellene hyperpolarisert (mer negativt ladet) enn deres dimmer naboer.
i biologi og kjemi er kroppens «maskinvare» — cellene og molekylene inne i den — alt. Men vi må vikle hodene våre rundt det faktum at disse spesielle typer maskinvare faktisk kan kjøre mange forskjellige typer programvare.
hva mener du med «programvare» i biologisk forstand?
«programvaren» i dette tilfellet er beslutningene om hvordan celler samarbeider for å lage en bestemt struktur eller vev. Det kan endres. Du kan ta flatormer med ett hode, og ved å endre elektriske signaler i cellene, få dem til å huske et nytt mønster som har to hoder. Til tross for at du har de samme ormcellene, får du et annet utfall. Og den slags skille mellom programvare og maskinvare kommer til å være veldig viktig når vi takler store problemer med regenerativ medisin og syntetisk biologi i fremtiden.
Hvilke anvendelser kan dette ha i den medisinske verden?
jeg tenker mye på det. De mest åpenbare er ting som å fikse fødselsskader. Hvis vi kan forstå og manipulere bioelektrisk signalering, kan vi potensielt reparere ting som går galt når et embryo dannes. Det er en. Vi har faktisk indusert noen fødselsskader på dyreembryoer i laboratoriet — og reparert dem-ved å endre det elektriske potensialet til visse celler.
En annen kjemper mot kreft. Det er en god del forskning som gjøres nå på bioelektriske signaler som både en årsak og en potensiell suppressor av kreftceller. Du kan normalisere visse svulster ved å utsette dem for bestemte stoffer som forandrer sitt elektriske potensial. Avhengig av forbindelsene du bruker, kan du selektivt påvirke bare visse typer celler, som de i en svulst, mens du forlater det omkringliggende vevet intakt. Det er ganske mye klar for testing i musemodeller.
et tredje område er regenerativ medisin. Hvis vi kan bruke elektrisk signalering for å overbevise vev og organer til å vokse etter skade, kan vi erstatte hele strukturer eller organer for pasienter. Bioelectricity gir deg et flott nytt sett med kontrollknapper som kan regulere celleadferd. Det vil være mye lettere å bygge biologiske strukturer som passer når vi forstår disse store regulatorene som elektrisk signalering.
Redaktørens Notat: Denne artikkelen ble oppdatert 8/10/18 for Å merke Levins rolle som direktør For Allen Discovery Center Ved Tufts og å fikse en skrivefeil i beskrivelsen av ioner i cellen. Beskrivelsen av måten tadpoles svømte som svar på svarte trekanter på EN LCD-skjerm ble også avklart.