Ważna wiadomość naukowa: biologom z Tufts University (USA) udało się przywrócić zdolność regeneracji tkanki ogona kijanek.
Taką pracę można by uznać za zwyczajną, gdyby nie jedna okoliczność: wynik osiągnięto w sposób nietrywialny, wykorzystując optogenetykę, która polega na kontroli aktywności komórek za pomocą światła.
Ostatecznym celem wszystkich takich badań jest odkrycie naturalnych mechanizmów kontrolujących naprawę części ciała i nauczenie się, jak je włączać u ludzi. Kijanki doskonale nadają się do tego zadania, ponieważ we wczesnym stadium rozwoju zachowują zdolność do zastąpienia utraconych kończyn, ale potem nagle ją tracą. Jeśli odetniesz ogon osobnikom, które weszły w tak zwany okres refrakcji, nie będą już w stanie go odrastać.
Wewnętrzne systemy kontrolujące regenerację są nadal obecne w ich ciałach, ale z jakiegoś powodu są zatrzymywane. Michael Levin i jego koledzy ponownie zmusili ich do pracy, skutecznie cofając fizjologiczny czas.
Sposób, w jaki to zrobili, jest świetny. Jedna grupa bezogonowych kijanek została podniesiona w pojemniku oświetlonym krótkimi błyskami światła przez dwa dni; drugi żył w całkowitej ciemności. W rezultacie w kijankach z pierwszej grupy odtworzono pełnoprawną tkankę ogona, w tym struktury kręgosłupa, mięśni, zakończeń nerwowych i skóry. Drugie kijanki nie były w stanie przezwyciężyć skutków amputacji, tak jak powinno być w ich wieku.
Jeśli brzmi to jak sztuczka, to tylko częściowo. Aby zrozumieć, dlaczego tak się stało, musisz wyjaśnić zasadę leżącą u podstaw eksperymentu. Rzeczywiście, wszystkie zwierzęta na tym samym etapie cyklu życiowego poddano identycznym manipulacjom. Jedyną rzeczą, która wyróżniała te dwie grupy, była obecność lub brak oświetlenia. Jednak światło nie było prawdziwą przyczyną zmiany. Służył jako zdalny włącznik, aktywujący czynnik (nie do końca jasny) wyzwalający proces regeneracji. Takim czynnikiem była hiperpolaryzacja transbłonowych potencjałów komórek; lub, prościej, bioelektryczność.
Optogenetyka sprawia, że zaprojektowanie eksperymentu jest stosunkowo łatwe. Cząsteczki mRNA fotoczułego białka archerodopsyny wstrzyknięto do kijanek. Doprowadziło to do tego, że po pewnym czasie na powierzchni zwykłych komórek znajdujących się w grubości tkanki pojawiły się „białka pompujące”. W warunkach stymulacji światłem (i tylko w tym przypadku) indukowały przepływ jonów przez membranę, zmieniając tym samym jej potencjał elektryczny.
W rzeczywistości oprócz pomp membranowych aktywowanych światłem naukowcy nie zaoferowali nic, co mogłoby pomóc kijankom. Jednak wystarczył jeden wpływ na właściwości elektryczne komórek, aby wywołać złożoną kaskadę procesów regeneracyjnych w organizmie. Z kolei dzięki optogenetyce tak łatwo jak łuskanie gruszek wywołać te zmiany z zewnątrz, wystarczy oświetlić kijankę światłem.
Film promocyjny:
Regeneracja pozostaje jedną z głównych tajemnic biologii. W 2005 roku magazyn Science wśród 25 najważniejszych problemów stojących przed nauką umieścił następujące pytanie: Co kontroluje regenerację narządów? Niestety, naukowcy nie byli jeszcze w stanie w pełni zrozumieć, dlaczego niektóre zwierzęta na dowolnym etapie swojego życia swobodnie przywracają utracone części ciała, podczas gdy inne tracą tę zdolność na zawsze. Kiedyś twoje ciało wiedziało, jak wyhodować oko lub ramię.
To było dawno temu, na samym początku życia zarodka. Eksperci są zainteresowani tym, gdzie ta wiedza zanika i czy można ją ponownie ożywić u osoby dorosłej. Obecnie poszukiwania większości biologów koncentrują się głównie na ekspresji genów lub sygnałów chemicznych. W laboratorium Michaela Levina odpowiedź na zagadkę regeneracji ma nadzieję znaleźć w innym zjawisku, bioelektryczności, a nadzieje te najwyraźniej nie są pozbawione podstaw.
Fakt, że prądy elektryczne są obecne w żywym organizmie, jest znany od czasów eksperymentów Galvaniego. Jednak niewielu badało ich wpływ na rozwój tak dokładnie, jak robi to Levin. Bioelektryczność od dawna ma szansę stać się wartościowym tematem eksperymentów, ale rewolucja molekularna w biologii w drugiej połowie XX wieku zepchnęła zainteresowanie badawcze tym zagadnieniem na margines nauki.
Levin, wywodzący się z dziedziny modelowania komputerowego i genetyki, posługujący się najnowocześniejszymi metodami nieobecnymi u jego poprzedników, w istocie zwraca ten kierunek do biologicznego głównego nurtu. Jego entuzjazm opiera się na przekonaniu, że elektryczność jest podstawowym zjawiskiem fizycznym, a ewolucja nie mogła pomóc, ale wykorzystać ją w podstawowych procesach, takich jak rozwój organizmu.
Zmieniając potencjał transbłonowy komórek, naukowiec może poinstruować tkanki kijanki, aby wyrosły oko w określonym obszarze ciała. Na ścianie jego laboratorium wisi fotografia sześcionożnej żaby. Dodatkowe kończyny pojawiły się u niej wyłącznie w wyniku ekspozycji na bioprądy elektryczne. W przeciwieństwie do neuronów, zwykłe komórki nie są zdolne do odpalania, ale mogą konsekwentnie przekazywać sygnały w całym ciele przez połączenia szczelinowe. Jeśli planarny, mały robak, który może się regenerować, ma odcięty ogon, wysyłana jest prośba do głowy z obszaru cięcia, aby upewnić się, że jest na miejscu. Zablokuj przekazywanie tych informacji, a zamiast zamierzonego ogona wyrośnie głowa.
Manipulując różnymi kanałami jonowymi, które określają właściwości elektryczne komórek, naukowcy w swoich eksperymentach wyprodukowali robaki z dwiema głowami, dwoma ogonami, a nawet robaki o nietypowej konstrukcji z czterema głowami. Levin mówi, że prawie zawsze mówiono mu, że jego pomysły nie powinny działać. Oparł się na swojej intuicji, która w większości wypadków nie zawiodła.
Od tych prób nadal jest bardzo daleko od pełnej wiedzy na temat przywracania kończyny u człowieka. Natomiast osoby niepełnosprawne mogą liczyć tylko na poprawę protez. Jednak wyjątkowe laboratorium na Uniwersytecie Tufts szuka czegoś jeszcze bardziej fundamentalnego: Levin uważa, że podobnie jak kod genetyczny, musi istnieć kod bioelektryczny łączący gradienty i dynamikę napięcia błony ze strukturami anatomicznymi.
Po zrozumieniu tego będzie można nie tylko kontrolować regenerację, ale także wpływać na wzrost guzów. Levin postrzega je jako konsekwencję utraty informacji o kształcie organizmu przez komórki, a badanie problemu raka należy do zadań jego laboratorium. Jak to często bywa, pozornie różne procesy mogą mieć jeden charakter.
Jeśli kod bioelektryczny rzeczywiście stoi za budową różnych organów ciała, jego rozwiązanie mogłoby rzucić światło na dwa najważniejsze problemy, przed którymi stoi ludzkość jednocześnie.