Архив:

Эффект головастика

Важная научная новость: биологам из Университета Тафтса (США) удалось восстановить способность к регенерации хвостовой ткани у головастиков. Такая работа могла бы считаться заурядной, если бы не одно обстоятельство: результат достигнут нетривиальным способом, с применением оптогенетики, в основе которой лежит управление активностью клеток с помощью света.

Конечная цель всех подобных исследований – обнаружить природные механизмы, контролирующие восстановление частей тела, и научиться включать их у человека. Головастики для данной задачи подходят как нельзя лучше, поскольку на раннем этапе развития сохраняют способность заменять утраченные конечности, но затем резко ее теряют. Если отрезать хвост у особей, вступивших в так называемый рефракторный период, они уже не смогут отрастить его заново. Внутренние системы, управляющие регенерацией, по-прежнему присутствуют в их организме, но по каким-то причинам остановлены. Майкл Левин (Michael Levin) с коллегами заставили их заработать вновь, фактически повернув физиологическое время вспять.

Замечательно то, как они это сделали. Одна группа головастиков, лишенных хвоста, выращивалась в емкости, освещавшейся короткими вспышками света на протяжении двух дней; другая – жила в полной темноте. В результате у головастиков первой группы восстановилась полноценная хвостовая ткань, включая структуры позвоночника, мышц, нервных окончаний и кожи. Головастики второй преодолеть последствия ампутации не смогли, как и положено в их возрасте.

Если это похоже на фокус, то лишь отчасти. Чтобы разобраться, почему так случилось, нужно пояснить принцип, лежащий в основе эксперимента. Действительно, всех животных, находящихся на одной стадии жизненного цикла, подвергли идентичным манипуляциям. Единственное, что отличало две группы, – наличие или отсутствие освещения. Однако свет не был истинной причиной произошедших изменений. Он служил дистанционным переключателем, приводившим в действие фактор, который (не совсем понятным образом) запускал процесс регенерации. В качестве такого фактора выступала гиперполяризация трансмембранных потенциалов клеток; или проще – биоэлектричество.

Оптогенетика позволяет построить эксперимент сравнительно просто. Молекулы мРНК светочувствительного белка архерходопсина инъекцией вводились в головастиков. Это привело к тому, что спустя некоторое время на поверхности обычных клеток, находящихся в толще ткани, появились «белки-насосы». При условии стимуляции светом (и только в этом случае) они индуцировали ток ионов через мембрану, изменяя тем самым ее электрический потенциал. По существу, помимо мембранных насосов, активируемых светом, ученые в помощь головастикам ничего не предложили. Однако одного лишь воздействия на электрические свойства клеток оказалось достаточно, чтобы запустить в организме сложный каскад регенерационных процессов. В свою очередь, благодаря оптогенетике вызвать эти изменения извне проще простого, нужно лишь посветить на головастика.

Регенерация остается одной из главных загадок биологии. В 2005 году журнал Science включил в число 25 важнейших проблем, стоящих перед наукой, следующий вопрос: What Controls Organ Regeneration? К сожалению, ученым пока не удается до конца разобраться, почему одни животные на любом этапе своей жизни свободно восстанавливают утраченные части тела, тогда как другие теряют эту способность навсегда. Когда-то ваш организм знал, как вырастить глаз или руку. Это было давно, в самом начале жизни в качестве эмбриона. Специалистов интересует, куда пропадает это знание и можно ли возродить его вновь у взрослого человека. В настоящий момент поиски большинства биологов сосредоточены в основном вокруг экспрессии генов или химических сигналов. В лаборатории Майкла Левина ответ на загадку регенерации надеются обнаружить в другом феномене, биоэлектричестве, и эти надежды, по всей видимости, не лишены оснований.

То, что в живом организме присутствуют электрические токи, известно со времен опытов Гальвани. Однако мало кто изучал их влияние на развитие так пристально, как это делает Левин. Биоэлектричество давно имело шанс стать достойной темой экспериментов, но молекулярная революция в биологии второй половины ХХ века вытеснила исследовательский интерес к этому вопросу на периферию науки. Левин, придя из сферы компьютерного моделирования и генетики, привлекая к работе самые современные методы, отсутствовавшие у предшественников, фактически возвращает это направление в биологический мейнстрим. В основе его энтузиазма лежит убеждение, что электричество представляет собой базовое физическое явление, и эволюция не могла не задействовать его в фундаментальных процессах, таких как развитие организма.

Изменяя трансмембранный потенциал клеток, ученый может дать команду тканям головастика вырастить глаз в заранее определенном участке тела. На стене его лаборатории висит фотография шестиногой лягушки. Дополнительные конечности появились у нее исключительно вследствие воздействия на электрические биотоки. В отличие от нейронов, обычные клетки не способны возбуждаться, но могут последовательно передавать сигналы практически по всему организму через щелевые контакты. Если у планарии, крошечного червя, умеющего регенерировать, отрезать хвостовую часть, из области надреза пойдет запрос к голове, дабы убедиться, что она на месте. Блокируйте передачу этой информации, и вместо положенного хвоста вырастет голова.

Манипулируя различными ионными каналами, определяющими электрические свойства клеток, ученые в своих экспериментах получали червей с двумя головами, двумя хвостами и даже червей необычной конструкции с четырьмя головами. По словам Левина, почти всегда ему говорили, что его идеи не должны сработать. Он полагался на свою интуицию, и в большинстве случаев она не подводила.

От этих попыток еще очень далеко до полноценного знания, как восстановить конечность у человека. Пока инвалиды могут рассчитывать лишь на совершенствование протезов. Однако в уникальной лаборатории Университета Тафтса ищут нечто даже более фундаментальное: подобно генетическому коду, считает Левин, должен существовать биоэлектрический код, связывающий градиенты и динамику напряжения мембран с анатомическими структурами. Разобравшись в нем, можно будет не только управлять регенерацией, но и воздействовать на рост опухолей. Левин рассматривает их как следствие потери клетками информации о форме организма, и исследование проблемы рака входит в число задач его лаборатории. Как это нередко бывает, различные с виду процессы могут иметь единую природу. Если биоэлектрический код действительно стоит за построением различных органов тела, его разгадка может пролить свет сразу на две важнейшие проблемы, стоящие перед человечеством.

Денис Тулинов

Источник: slon.ru

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ