na początku XIX wieku natura elektryczności pozostała tajemnicą dla naukowców. Eksperymenty z epoki pokazały, że iskra może powodować drgawki mięśni martwych żab, a nawet zamieniać ludzkie zwłoki w drgawki — nadprzyrodzone pożywienie, które mogło zainspirować słynną powieść Mary Shelley, Frankenstein. Ponad 200 lat później, wszystkie sposoby, w jakie elektryczność działa w ludzkim ciele, nadal nie są do końca zrozumiane. Oczywiste jest jednak, że sygnały elektryczne odgrywają ważną rolę we wczesnym rozwoju organizmu.
naukowcy tacy jak Michael Levin z Tufts University odkryli, że ładunki komórkowe kontrolują sposób i miejsce powstawania struktury w rozwijającym się zarodku. Co bardziej zaskakujące, odkrył, że możliwe jest manipulowanie formami ciała poprzez zmianę wzorców napięcia w komórkach.
stosując tę podstawową technikę, Levin i jego koledzy z powodzeniem wyhodowali trzecie oczy na grzbiecie kijanek. Wywołali uszkodzenia mózgu w zarodkach żab, blokując tworzenie kluczowych struktur nerwowych — a następnie odwracając uszkodzenia, zmieniając ładunek elektryczny rozwijających się komórek mózgowych. Chociaż praca ta jest nadal głęboko eksperymentalna, Levin uważa, że może mieć duży wpływ na dziedziny medycyny, biologii i biochemii. Wyobraża sobie pewnego dnia wykorzystanie bioelektryczności do odwrócenia wad wrodzonych w łonie matki, leczenia raka, a nawet wyhodowania nowych kończyn u osób po amputacji.
Levin, dyrektor Allen Discovery Center w Tufts i współautor artykułu w 2017 Annual Review of Biomedical Engineering na ten temat, niedawno rozmawiał z Knowable Magazine o stanie badań bioelektrycznych i jego przemyśleniach na temat perspektyw na przyszłość. Ta rozmowa została zredagowana pod kątem długości i jasności.
w kontekście biologii, co tak naprawdę oznacza „sygnał elektryczny”?
cóż, w błonie, która otacza każdą komórkę, są wbudowane białka, które mogą przenosić naładowane jonami Atomy-do i z komórki. Potas, chlorek, sód, protony i tak dalej. I nieuchronnie, jeśli dodasz więcej naładowanych jonów do jednej strony błony, wytworzysz potencjał elektryczny na powierzchni komórki. To jest w zasadzie to, co dzieje się w baterii, gdzie jedna strona baterii ma inną ilość naładowania niż druga.
okazuje się, że komórki mogą faktycznie wykorzystać te ładunki do komunikacji. Sygnały te działają znacznie wolniej niż impulsy, o których słyszymy w układzie nerwowym-mówimy tu o milisekundowych skalach czasu przepływu informacji, ale w bioelektryczności rozwojowej mówimy o minutach, a nawet godzinach. Ale ostatecznie potencjał elektryczny między komórkami może określić, w jaki sposób rozwijają się pewne tkanki lub struktury.
jak dokładnie te sygnały elektryczne wpływają na rozwój w organizmie?
sygnały bioelektryczne służą jako rodzaj głównego przełącznika regulatora wysokiego poziomu. Ich przestrzenny rozkład pomiędzy tkankami i intensywność mówi regionowi embrionu: ok, będziesz okiem, albo mózgiem określonej wielkości, albo kończyną, albo przejdziesz na lewą stronę ciała, tego typu rzeczy.
kula na ogonie tej kijanki to rozwijające się Żabie Oko. Poprzez wystawienie wszczepionej tkanki na działanie niektórych leków neuroprzekaźników, naukowcy byli w stanie nakłonić tkankę nerwową do wzrostu z niej. Ten pomyślnie podłączony do rozwijającego się rdzenia kręgowego kijanki, wysyłanie informacji wizualnych do mózgu i pozwalając inaczej ślepy Kijanka zobaczyć.
można je zobaczyć w zarodkach żab. Na przykład, elektrycznie wrażliwe barwniki ujawniają wzór, który nazywamy „elektryczną twarzą” — gradienty elektryczne w tkance, które określają, gdzie wszystkie części twarzy będą później tworzyć. To jak subtelne rusztowanie dla głównych cech anatomii, podczas gdy wiele lokalnych szczegółów wydaje się być wypełnionych przez inne procesy, które mogą, ale nie muszą, obejmować bioelektryczność. Jeśli zmienisz te sygnały elektryczne w rozwijającym się embrionie, może to mieć duży wpływ na to, jak i gdzie powstają jego struktury.
możesz podać przykład jak to działa na konkretnym narządzie?
jasne. Kilka lat temu chcieliśmy zbadać, jak przeszczepione komórki i tkanki będą się rozwijać w obcym środowisku. Pobraliśmy wczesną strukturę oka z jednego zarodka żaby i wszczepiliśmy go na plecy innego zarodka. Interesowały nas dwie rzeczy: po pierwsze, czy biorca będzie w stanie widzieć przez wszczepione oko na plecach? Czy mózg jest wystarczająco plastyczny, aby móc z niego widzieć? Po drugie, chcieliśmy wiedzieć, co ta struktura oka zrobi bez mózgu w pobliżu? Gdzie się połączy i co zrobią neurony?
odkryliśmy, że gdy wszczepimy tę strukturę w rozwijający się grzbiet kijanki, komórki oka tworzą funkcjonalną siatkówkę i nerw wzrokowy, które jakby meandrują i próbują połączyć się gdzieś w rdzeniu kręgowym. Ale jeśli obniżysz potencjał elektryczny komórek otaczających implant, struktura oka oszaleje i wytworzy ogromną liczbę nowych nerwów, które się z niego wyłaniają.
okazuje się, że powstające neurony mogą odczytywać sygnały elektryczne tkanki, na której siedzą. Jeśli komórki w tej tkance mają spolaryzowany potencjał spoczynkowy-co oznacza, że nagromadziły ujemne ładunki wewnątrz każdej komórki-wszczepione oko tworzy nerw wzrokowy i na tym koniec. Ale jeśli są depolaryzowane, lub mają niższy ładunek, to daje neuronom sygnał do zarastania w bardzo głęboki sposób. Uważamy, że jest to przykład komórek odczytujących topografię elektryczną swojego środowiska i podejmujących decyzje dotyczące wzrostu w oparciu o te informacje.
po pokrojeniu na pół, flatworm może normalnie odrastać brakujące części ciała. Manipulując ładunkiem elektrycznym swoich komórek, naukowcy mogą kontrolować, które z tych części się regenerują. Blokując normalny napływ i odpływ naładowanych jonów z komórek flatworm, mogą stworzyć hiperpolaryzowany stan po obu stronach regenerującej się tkanki, co skłania robaka do wzrostu dwóch ogonów. Lub mogą stworzyć stan depolaryzacji, prowadząc do powstania drugiej głowy, która zastąpi amputowany ogon.
więc jeśli zmienisz sygnały bioelektryczne wokół implantu oka, to wrasta on do układu nerwowego kijanki?
tak. Nie tylko rozwija się w kompletną strukturę oka, ale jest również funkcjonalny. Jeśli usuniesz istniejące Oczy kijanki, implant pozwoli niewidomym zwierzętom zobaczyć kolory i ruchome kształty. W naszych badaniach umieściliśmy oślepione kijanki w płytkim naczyniu na monitorze LCD i goniliśmy je małymi czarnymi trójkątami. Kijanki konsekwentnie pływały w odpowiedzi na ruch trójkątów. Nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy mają taką samą ostrość wzroku jak normalne kijanki, ale na pewno widzą przez nowe wszczepione oko.
aktywny w połowie XVIII wieku, Luigi Galvani przeprowadził przełomowe eksperymenty na temat tego, jak sygnały elektryczne aktywowały mięśnie w ciele — sprawiając, że nogi martwej żaby drgają po zapchaniu ich elektrodami (pokazano) — i był jednym z pierwszych naukowców, którzy odkryli bioelektryczność.
autor: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
jak manipulować stanem elektrycznym komórki lub tkanek?
możemy to zrobić z lekami, które celują w kanały jonowe w komórkach. Obecnie około 20% wszystkich leków to leki jonokanałowe, które ludzie biorą na epilepsję i inne choroby, więc nietrudno je znaleźć. W naszym laboratorium przygotowujemy specjalne koktajle, które kierują się na określone obszary ciała. Jeśli na przykład chcesz wycelować napięcie skóry, możemy użyć leku, który otwiera lub zamyka kanały jonowe wyrażone wyłącznie w komórkach skóry. Dostrajasz koktajl leków, aby powodować różne reakcje w różnych częściach ciała.
zaczynałeś w tej dziedzinie jako informatyk. Czy widzisz podobieństwa między kodowaniem komputera a podkręcaniem sygnałów elektrycznych w środowisku biologicznym?
Na podstawowym poziomie zależy mi na przetwarzaniu informacji i algorytmach w systemie. Nie ma znaczenia, czy ten system jest zrobiony z krzemu, czy z żywych komórek. Według mnie jestem informatykiem, ale studiuję obliczenia i przetwarzanie informacji w żywych mediach.
ludzie, którzy mają wykształcenie informatyczne rozumieją, że to, co jest fundamentalne w naukach o informacji, to nie sam komputer — to sposób, w jaki wykonuje obliczenia. Do przeprowadzenia obliczeń można użyć wielu różnych architektur i bardzo Różnych rodzajów procesów. Ludzie robili komputery z dziwnych płynów, śluz, nawet mrówek. Myślę, że jedną z najważniejszych rzeczy, których Informatyka może nauczyć biologię, jest rozróżnienie pomiędzy Oprogramowaniem a sprzętem.
kolega Michaela Levina Dany Adams, który odkrył tak zwaną elektryczną twarz, stworzył film poklatkowy, który pokazuje, jak sygnały bioelektryczne pomagają ukierunkować budowę rysów twarzy w rozwoju zarodków żaby (Xenopus laevis). Za pomocą barwników fluorescencyjnych, które zaznaczają potencjał elektryczny, jasne komórki są hiperpolaryzowane (bardziej ujemnie naładowane) niż ich sąsiedzi ściemniacze.
w biologii i chemii „sprzęt” ciała-komórki i cząsteczki w nim zawarte-jest wszystkim. Ale musimy się zastanowić nad faktem, że te specjalne rodzaje sprzętu mogą uruchamiać wiele różnych rodzajów oprogramowania.
co rozumiesz przez „oprogramowanie” w sensie biologicznym?
„oprogramowanie” w tym przypadku to decyzje o tym, w jaki sposób komórki współpracują, aby uzyskać określoną strukturę lub tkankę. To można zmienić. Możesz wziąć płazińce z jedną głową i przez krótką zmianę sygnałów elektrycznych w ich komórkach, sprawić, że zapamiętają nowy wzór, który ma dwie głowy. Pomimo faktu, że masz te same komórki robakowe, masz inny wynik. Takie rozróżnienie między oprogramowaniem a sprzętem będzie bardzo istotne, ponieważ w przyszłości zajmiemy się poważnymi problemami medycyny regeneracyjnej i biologii syntetycznej.
jakie zastosowania może to mieć w świecie medycznym?
dużo o tym myślę. Najbardziej oczywiste są takie rzeczy jak naprawianie wad wrodzonych. Jeśli potrafimy zrozumieć i manipulować sygnalizacją bioelektryczną, moglibyśmy potencjalnie naprawić rzeczy, które nie idą w parze z formami zarodka. To jeden. W laboratorium wywołaliśmy pewne wady wrodzone zarodków zwierzęcych i naprawiliśmy je, zmieniając potencjał elektryczny niektórych komórek.
kolejny walczy z rakiem. Obecnie prowadzi się sporo badań nad sygnałami bioelektrycznymi jako przyczyną i potencjalnym supresorem komórek nowotworowych. Można znormalizować pewne guzy, narażając je na konkretne leki, które zmieniają ich potencjał elektryczny. W zależności od związków, których używasz, możesz selektywnie wpływać tylko na niektóre typy komórek, takie jak te w guzie, pozostawiając otaczającą tkankę nienaruszoną. To jest prawie gotowy do testowania w modelach myszy.
trzecim obszarem jest medycyna regeneracyjna. Jeśli możemy użyć sygnalizacji elektrycznej, aby przekonać tkanki i narządy do wzrostu po urazie, możemy zastąpić całe struktury lub narządy dla pacjentów. Bioelektryczność daje świetny nowy zestaw pokręteł sterujących, za pomocą których można regulować zachowanie komórek. Łatwiej będzie zbudować biologiczne struktury, które będą pasować, gdy zrozumiemy te duże regulatory, takie jak sygnalizacja elektryczna.
: Ten artykuł został zaktualizowany 8 / 10 / 18, aby zwrócić uwagę na rolę Levina jako dyrektora Allen Discovery Center w Tufts i naprawić literówkę w opisie jonów w komórce. Wyjaśniono również sposób pływania kijanek w odpowiedzi na czarne trójkąty na ekranie LCD.