la începutul secolului al XIX-lea, natura electricității a rămas un mister pentru oamenii de știință. Experimentele din epocă au arătat că o scânteie ar putea face mușchii broaștelor moarte să se răsucească sau chiar să pună cadavrele umane în convulsii — furaje supranaturale care ar fi putut inspira faimosul roman al lui Mary Shelley, Frankenstein. Mai mult de 200 de ani mai târziu, toate modurile în care acționează electricitatea în corpul uman încă nu sunt complet înțelese. Cu toate acestea, este clar că semnalele electrice joacă un rol major în dezvoltarea timpurie a organismului.
oameni de știință precum Michael Levin de la Universitatea Tufts au descoperit că încărcăturile celulare controlează cum și unde se formează o structură într-un embrion în curs de dezvoltare. Chiar mai surprinzător, el a descoperit că este posibil să manipuleze formele corporale doar prin schimbarea tiparelor de tensiune ale celulelor sale.
folosind această tehnică de bază, Levin și colegii săi au crescut cu succes trei ochi funcționali pe spatele mormolocilor. Au declanșat leziuni cerebrale la embrionii de broască prin blocarea formării structurilor neuronale cheie — și apoi au inversat daunele prin schimbarea sarcinii electrice a celulelor creierului în curs de dezvoltare. Deși această lucrare este încă profund experimentală, Levin crede că ar putea avea un impact major asupra domeniilor medicinei, biologiei și biochimiei. El își imaginează că într-o zi folosește bioelectricitatea pentru a inversa defectele congenitale ale uterului, pentru a trata cancerul sau chiar pentru a crește membre noi pe amputați.
Levin, director al Allen Discovery Center la Tufts și coautor al unui articol din revista anuală 2017 a ingineriei biomedicale pe această temă , a vorbit recent cu revista Knowable despre starea cercetării bioelectrice și gândurile sale cu privire la perspectivele sale viitoare. Această conversație a fost editată pentru lungime și claritate.
în contextul biologiei, ce înseamnă cu adevărat un „semnal electric”?
Ei bine, în membrana care înconjoară fiecare celulă, există proteine încorporate care pot muta atomii încărcați de ioni în interiorul și în afara celulei. Lucruri precum potasiu, clorură, sodiu, protoni și așa mai departe. Și inevitabil, dacă adăugați mai mulți ioni încărcați pe o parte a membranei, veți genera un potențial electric pe suprafața celulei. Practic, asta se întâmplă într-o baterie, unde o parte a bateriei are o cantitate diferită de încărcare decât cealaltă.
se pare că celulele pot folosi aceste sarcini pentru a comunica. Aceste semnale acționează mult mai lent decât impulsurile despre care suntem obișnuiți să auzim în sistemul nervos-acolo, vorbești despre scări de timp de milisecunde pentru fluxul de informații, dar în bioelectricitatea dezvoltării, vorbești despre minute sau chiar ore. Dar, în cele din urmă, potențialul electric dintre celule poate determina modul în care se dezvoltă anumite țesuturi sau structuri.
cum anume aceste semnale electrice afectează dezvoltarea în organism?
semnalele bioelectrice servesc ca un fel de comutator de reglare master la nivel înalt. Distribuția lor spațială între țesuturi și intensitate spune unei regiuni a unui embrion, OK, vei fi un ochi, sau vei fi un creier de o anumită dimensiune, sau vei fi un membru, sau vei merge în partea stângă a corpului, așa ceva.
sfera de pe coada acestui mormoloc este de fapt un ochi de broască în curs de dezvoltare. Prin expunerea țesutului implantat la anumite medicamente neurotransmițătoare, oamenii de știință au reușit să convingă țesutul nervos să crească din acesta. Acest lucru s-a conectat cu succes la măduva spinării mormolocului în curs de dezvoltare, trimițând informații vizuale către creier și lăsând mormolocul altfel orb să vadă.
CREDIT: ALLEN DISCOVERY CENTER, Universitatea TUFTS
le puteți vedea formându-se în embrioni de broască. De exemplu, coloranții sensibili electric dezvăluie un model pe care îl numim „fața electrică” — gradienți electrici de-a lungul țesutului care se întind acolo unde se vor forma mai târziu toate părțile feței. Este ca o schelă subtilă pentru caracteristicile majore ale anatomiei, în timp ce o mulțime de detalii locale par a fi completate de alte procese care pot implica sau nu bioelectricitate. Dacă schimbați aceste semnale electrice într-un embrion în curs de dezvoltare, acesta poate avea un efect major asupra modului și locului în care se formează structurile sale.
puteți da un exemplu despre cum funcționează acest lucru pe un anumit organ?
sigur. Unul dintre lucrurile pe care am vrut să le studiem acum câțiva ani este modul în care celulele și țesuturile transplantate se vor dezvolta într-un mediu străin. Am luat structura timpurie a ochilor de la un embrion de broască și am implantat-o pe spatele altui embrion. Am fost interesați de două lucruri: în primul rând, destinatarul ar putea vedea din acel ochi implantat pe spate? Este creierul suficient de plastic pentru a putea vedea efectiv din el? În al doilea rând, am vrut să știm, ce va face această structură a ochilor fără un creier în apropiere? Unde se va conecta și ce vor face neuronii?
ceea ce am descoperit este că atunci când implantezi acea structură în spatele unui mormoloc în curs de dezvoltare, celulele oculare formează o retină funcțională și un nerv optic care într-un fel șerpuiește și încearcă să se conecteze undeva în măduva spinării. Dar dacă reduceți potențialul electric al celulelor din jurul implantului, structura ochiului înnebunește și face un număr imens de nervi noi care ies din el.
se pare că neuronii emergenți pot citi semnalele electrice ale țesutului pe care stau. Dacă celulele din acel țesut au un potențial de repaus polarizat — ceea ce înseamnă că au acumulat sarcini negative în interiorul fiecărei celule-ochiul implantat formează un nerv optic și acesta este sfârșitul acestuia. Dar dacă sunt depolarizate, sau au o sarcină mai mică, asta dă neuronilor un semnal să crească într-un mod foarte profund. Credem că acesta este un exemplu de celule care citesc topografia electrică a mediului lor și iau decizii de creștere bazate pe aceste informații.
când este tăiat în jumătate, un vierme plat poate regresa în mod normal părțile lipsă ale corpului său. Cu toate acestea, prin manipularea sarcinii electrice a celulelor sale, oamenii de știință pot controla care dintre aceste părți se regenerează. Prin blocarea afluxului normal și a fluxului de ioni încărcați din celulele viermelui plat, aceștia pot crea o stare hiperpolarizată în ambele părți ale țesutului regenerant, ceea ce determină viermele să crească două cozi. Sau pot crea o stare depolarizată, ducând la formarea unui al doilea cap pentru a înlocui coada amputată.
deci, dacă schimbați semnalele bioelectrice din jurul implantului ocular, acesta crește în sistemul nervos al mormolocului?
Da. Nu numai că crește într-o structură completă a ochilor, dar este și funcțională. Dacă îndepărtați ochii existenți ai mormolocului, implantul permite animalelor altfel oarbe să vadă culori și forme în mișcare. În studiul nostru, am pus mormoloci orbiți într-un vas superficial deasupra unui monitor LCD și i-am urmărit cu mici triunghiuri negre. Mormolocii au înotat în mod constant ca răspuns la mișcarea triunghiurilor. Nu putem spune dacă au aceeași acuitate vizuală ca mormolocii normali, dar cu siguranță pot vedea din acel nou ochi implantat.
activ la mijlocul secolului al XVIII — lea, Luigi Galvani a făcut experimente seminale cu privire la modul în care semnalele electrice au activat mușchii din corp — făcând picioarele unei broaște moarte să se răsucească după ce le-a lovit cu electrozi (prezentat) – și a fost printre primii oameni de știință care au descoperit bioelectricitatea.
CREDIT: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
cum te descurci cu manipularea stării electrice a celulei sau a țesuturilor?
o putem face cu medicamente care vizează canalele ionice din celule. În momentul de față, aproximativ 20% din toate medicamentele de acolo sunt medicamente cu canale ionice, lucruri pe care oamenii le iau pentru epilepsie și alte boli, deci nu sunt greu de găsit. În laboratorul nostru, facem în mod special cocktail-uri de droguri care vizează anumite regiuni ale corpului. Dacă doriți să vizați tensiunea pielii, de exemplu, am putea folosi un medicament care deschide sau închide canalele ionice exprimate exclusiv în celulele pielii. Reglați cocktailul de medicamente pentru a provoca reacții diferite în diferite părți ale corpului.
ați început în acest domeniu ca informatician. Vedeți paralele între codificarea unui computer și reglarea semnalelor electrice într-un cadru biologic?
absolut. La un nivel fundamental, îmi pasă de procesarea informațiilor și de algoritmii dintr-un sistem. Nu contează dacă acel sistem este format din siliciu sau celule vii. După părerea mea, sunt informatician, dar studiez calculul și procesarea informației în media vie.
oamenii care au un background în informatică înțeleg că ceea ce este fundamental în științele informației nu este computerul în sine — este modul în care face calcule. O mulțime de arhitecturi diferite și tipuri foarte distincte de procese pot fi utilizate pentru a efectua un calcul. Oamenii au făcut computere din lichide ciudate, mucegaiuri, chiar și furnici. Cred că unul dintre cele mai importante lucruri pe care Informatica le-ar putea învăța în domeniul biologiei este această distincție între software și hardware.
colegul lui Michael Levin, Dany Adams, care a descoperit ceea ce se numește fața electrică, a creat acest videoclip time-lapse care dezvăluie modul în care semnalele bioelectrice ajută la direcționarea construcției trăsăturilor faciale în dezvoltarea embrionilor de broască (Xenopus laevis). Folosind coloranți fluorescenți care marchează potențialul electric, celulele luminoase sunt hiperpolarizate (mai încărcate negativ) decât vecinii lor mai slabi.
în biologie și chimie, „hardware — ul” unui corp — celulele și moleculele din interiorul acestuia-este totul. Dar trebuie să ne gândim la faptul că aceste tipuri speciale de hardware pot rula de fapt multe tipuri diferite de software.
ce vrei să spui prin „software” în sens biologic?
„software-ul” în acest caz este decizia modului în care celulele cooperează pentru a face o anumită structură sau țesut. Asta poate fi schimbat. Puteți lua viermi plat cu un singur cap și, modificând scurt semnalele electrice din celulele lor, îi puteți face să-și amintească un nou model care are două capete. În ciuda faptului că aveți aceleași celule de vierme, obțineți un rezultat diferit. Și acest tip de distincție între software și hardware va fi cu adevărat crucial pe măsură ce vom aborda problemele mari ale medicinei regenerative și biologiei sintetice în viitor.
ce aplicații ar putea avea acest lucru în lumea medicală?
mă gândesc mult la asta. Cele mai evidente sunt lucruri precum remedierea defectelor congenitale. Dacă putem înțelege și manipula semnalizarea bioelectrică, am putea repara lucruri care merg prost pe măsură ce se formează un embrion. Asta e una. De fapt, am indus unele defecte congenitale la embrionii de animale din laborator — și le — am reparat-schimbând potențialul electric al anumitor celule.
un altul luptă împotriva cancerului. Există o cantitate destul de mare de cercetări care se fac acum pe semnalele bioelectrice atât ca cauză, cât și ca potențial supresor al celulelor canceroase. Puteți normaliza anumite tumori expunându-le la medicamente specifice care le schimbă potențialul electric. În funcție de compușii pe care îi utilizați, puteți afecta selectiv numai anumite tipuri de celule, cum ar fi cele dintr-o tumoare, lăsând în același timp țesutul înconjurător intact. Acest lucru este destul de pregătit pentru testarea modelelor de mouse.
un al treilea domeniu este medicina regenerativă. Dacă putem folosi semnalizarea electrică pentru a convinge țesuturile și organele să crească după leziuni, am putea înlocui structuri sau organe întregi pentru pacienți. Bioelectricitatea vă oferă un set nou de butoane de control cu care să reglați comportamentul celulelor. Va fi mult mai ușor să construim structuri biologice care să se potrivească odată ce înțelegem aceste regulatoare la scară largă, cum ar fi semnalizarea electrică.
Nota editorului: Acest articol a fost actualizat 8/10/18 pentru a nota rolul lui Levin ca director al Allen Discovery Center la Tufts și pentru a repara o greșeală de scriere în descrierea ionilor din celulă. Descrierea modului în care mormolocii au înotat ca răspuns la triunghiurile negre de pe un ecran LCD a fost, de asemenea, clarificată.