Важна научна новина: биолозите от университета Тъфтс (САЩ) успяха да възстановят способността за регенериране на опашната тъкан при поповите лъжички.
Подобна работа би могла да се счита за обикновена, ако не и за едно обстоятелство: резултатът беше постигнат по нетривиален начин, използвайки оптогенетика, която се основава на контрола на клетъчната активност с помощта на светлина.
Крайната цел на всички подобни изследвания е да се открият естествените механизми, които контролират възстановяването на части от тялото и да се научат как да ги включат при хората. Боголовците са идеални за тази задача, тъй като на ранен етап от развитието си запазват способността да заместват изгубените крайници, но след това изведнъж я губят. Ако отрежете опашката на индивиди, които са навлезли в така наречения огнеупорен период, те вече няма да могат да го прерастват.
Вътрешните системи, които контролират регенерацията, все още присъстват в телата им, но по някаква причина те са спрени. Майкъл Левин и колегите му ги накараха да работят отново, ефективно връщайки физиологичното време назад.
Начинът, по който го направиха, е страхотен. Една група безглави попови лъчи беше отгледана в контейнер, осветен с къси светлинни проблясъци в продължение на два дни; другият живееше в пълен мрак. В резултат на това половците от първата група възстановиха пълноценна тъкан на опашката, включително структурите на гръбначния стълб, мускулите, нервните окончания и кожата. Вторите лъжички не можеха да преодолеят последиците от ампутацията, както би трябвало да бъде на тяхната възраст.
Ако звучи като трик, това е само отчасти. За да разберете защо се е случило това, трябва да обясните принципа, залегнал в експеримента. Всъщност всички животни в един и същ етап от жизнения цикъл са били подложени на идентични манипулации. Единственото нещо, което отличаваше двете групи, беше наличието или липсата на осветление. Светлината обаче не беше истинската причина за промяната. Той служи като дистанционен превключвател, активирайки фактор, който (не съвсем ясен) задейства процеса на регенерация. Този фактор беше хиперполяризацията на трансмембранните потенциали на клетките; или, по-просто, биоелектричеството.
Оптогенетиката улеснява сравнително лесното планиране на експеримент. Молекулите на иРНК на фоточувствителния протеин археродопсин се инжектират в попови лъжички. Това доведе до факта, че след известно време на повърхността на обикновените клетки, разположени в дебелината на тъканта, се появиха „помпени протеини“. При условие на стимулация със светлина (и само в този случай) те индуцират тока на йони през мембраната, като по този начин променят нейния електрически потенциал.
Всъщност, освен мембранните помпи, активирани от светлината, учените не са предложили нищо, което да помогне на поповите лъжички. Само един ефект върху електрическите свойства на клетките обаче беше достатъчен, за да предизвика сложна каскада от регенерационни процеси в тялото. От своя страна, благодарение на оптогенетиката е толкова лесно, колкото и обстрелването на круши, да предизвика тези промени отвън, просто трябва да осветявате поголовника.
Промоционално видео:
Регенерацията остава една от основните загадки на биологията. През 2005 г. списание Science включва следния въпрос сред 25-те най-важни проблема, пред които е изправена науката: Какво контролира регенерацията на органите? За съжаление учените все още не са успели напълно да разберат защо някои животни на всеки етап от живота си свободно възстановяват изгубените части на тялото, докато други губят тази способност завинаги. Някога тялото ви е знаело как да расте око или ръка.
Беше много отдавна, в самото начало на живота като ембрион. Експертите се интересуват къде това знание изчезва и дали е възможно да се съживи отново при възрастен. В момента търсенето на повечето биолози е фокусирано главно върху експресията на гени или химични сигнали. В лабораторията на Майкъл Левин те се надяват да намерят отговора на загадката за регенерация в друго явление, биоелектричеството, и тези надежди, очевидно, не са без основание.
Фактът, че в живия организъм присъстват електрически токове, е известен още от времето на експериментите на Галвани. Малцина обаче са изучавали тяхното въздействие върху развитието толкова внимателно, колкото прави Люин. Биоелектричеството отдавна има шанс да се превърне в достойна тема за експерименти, но молекулярната революция в биологията през втората половина на 20-ти век изтласка изследователския интерес към този въпрос до маргините на науката.
Левин, дошъл от областта на компютърното моделиране и генетика, използвайки най-модерните методи, които отсъстваха от неговите предшественици, всъщност връща тази посока към биологичния мейнстрийм. Неговият ентусиазъм се основава на убеждението, че електричеството е основно физическо явление и еволюцията не може да не го използва в основни процеси, като развитието на организма.
Чрез промяна на трансмембранния потенциал на клетките, ученият може да инструктира тъканите на поголовника да отглеждат око в предварително определена област на тялото. Снимка на шестокрака жаба виси на стената на лабораторията му. Допълнителни крайници се появиха при нея единствено в резултат на излагане на електрически биотокове. За разлика от невроните, обикновените клетки не са способни да стрелят, но могат последователно да предават сигнали на почти цялото тяло чрез междинни връзки. Ако планария, мъничък червей, който може да се регенерира, има отрязана опашка, до главата се изпраща заявка от срезаната област, за да се увери, че е на мястото си. Блокирайте предаването на тази информация и вместо предвидената опашка ще порасне глава.
Чрез манипулиране на различни йонни канали, които определят електрическите свойства на клетките, учените в своите експерименти произвеждат червеи с две глави, две опашки и дори червеи с необичаен дизайн с четири глави. Според Левин почти винаги са му казвали, че идеите му не трябва да работят. Той разчиташе на интуицията си и в повечето случаи тя не се проваляше.
От тези опити все още е много далеч от пълното знание за това как да се възстанови крайник в човек. Докато хората с увреждания могат да разчитат само на подобряване на протезите. Въпреки това, в уникалната лаборатория на университета Тъфтс те търсят нещо още по-фундаментално: подобно на генетичния код, смята Левин, трябва да има биоелектричен код, свързващ градиенти и динамика на мембранното напрежение с анатомични структури.
След като го разберем, ще бъде възможно не само да контролираме регенерацията, но и да влияем върху растежа на туморите. Левин ги вижда като последица от загубата на информация за формата на организма от клетките, а изследването на проблема с рака е сред задачите на неговата лаборатория. Както често се случва, привидно различните процеси могат да имат единна природа.
Ако биоелектричният код наистина стои зад изграждането на различни органи на тялото, неговото решение може да хвърли светлина върху два от най-важните проблеми, пред които е изправено човечеството наведнъж.