Unscrambled Eggs:Self-Organization Restores Cells’ Order

Βάλτε μια μπανάνα σε ένα μπλέντερ και δεν περιμένετε να την πάρετε πίσω. Αλλά ανακατέψτε ένα σωρό ζωντανά κύτταρα και νέα έρευνα δείχνει ότι ίσως θα έπρεπε.

Αν αφεθούν απλώς μόνα τους, τα υγρά έσω σπλάχνα ενός κυττάρου - το κυτταρόπλασμά του - έχουν μια εκπληκτική ικανότητα να επανασυναρμολογούνται, ακόμη και χωρίς συστατικά που φαινόταν απαραίτητα σε ορισμένους επιστήμονες. Πειράματα που περιγράφηκαν πρόσφατα στο Science αποκάλυψε την απρόβλεπτη έκταση αυτού του ταλέντου και εμβάθυνε στη μηχανική του. Έδειξαν με γλαφυρό τρόπο πόσο καλά εξοπλισμένα είναι τα κύτταρα για να επαναφέρουν τον εαυτό τους στην τάξη μετά την παρείσφρηση του χάους και ίσως να φωτίσουν τις προοπτικές των επιστημόνων που ελπίζουν κάποια μέρα να δημιουργήσουν εντελώς τεχνητά κύτταρα.

«Ήταν πραγματικά μια τυχαία ανακάλυψη, το είδος του πειράματος που θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι κάνει ένα 8χρονο», είπε ο Τζέιμς Φέρελ, χημικός βιολόγος και βιολόγος συστημάτων στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Στάνφορντ. "Απλώς πάρτε ένα μάτσο αυγά και λιώστε τα και δείτε τι θα συμβεί."

Όταν ο Xianrui Cheng, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Ferrell, είδε για πρώτη φορά τα ωάρια να ανακατεύονται, έψαχνε για κάτι άλλο:σήματα που λένε στα κύτταρα να πεθάνουν. Ως φυσιολογικό μέρος της υγιούς ανάπτυξης και ανάπτυξης, ένας οργανισμός χρειάζεται μερικές φορές ορισμένα από τα κύτταρά του να πεθάνουν σύμφωνα με το πρόγραμμα. Ο Cheng ήθελε να δει πώς εξαπλώνεται το σήμα που ευθύνεται για αυτήν την κυτταρική αυτοκτονία (απόπτωση) μέσα σε ένα κύτταρο και για να το κάνει, χρειαζόταν κυτταρόπλασμα.

Το πήρε με τρόπο που ένα 8χρονο θα ενέκρινε, αναμειγνύοντας μια μάζα αυγών από ένα κοινό ζώο εργαστηρίου, τον οκλαδόν αφρικανικό βάτραχο Xenopus laevis , σε φυγόκεντρο. Τα ευμεγέθη ωάρια έχουν διάμετρο πάνω από 1 χιλιοστό το καθένα, γεγονός που τα καθιστά άφθονες πηγές κυτταροπλάσματος.

Στη συνέχεια, ο Cheng πρόσθεσε σπέρμα βατράχου, αν και η πρόθεσή του δεν ήταν (και δεν θα μπορούσε να είναι) να γονιμοποιήσει το μείγμα. Αντίθετα, από προηγούμενες μελέτες της απόπτωσης, γνώριζε ότι καθώς το σήμα θανάτου εξαπλώθηκε μέσω του κυτταροπλάσματος, οι πυρήνες από το σπέρμα θα εξαφανίζονταν. Εάν εξέθετε το ένα άκρο ενός σωλήνα του κυτταροπλάσματος σε ένα έναυσμα για απόπτωση, τότε η εξαφάνιση των πυρήνων θα σήμαινε την εξάπλωση του σήματος.

Αλλά πριν φτάσει ο θάνατος για τους πυρήνες, παρατήρησε κάτι περίεργο σε αυτούς. Αντί να παραμένουν στις αρχικές τυχαίες θέσεις τους, οι πυρήνες του σπέρματος φάνηκε να επανατοποθετούνται και να οργανώνονται. Όταν ο Cheng κοίταξε μια σταγόνα του κυτταροπλάσματος πιο προσεκτικά σε μια διαφάνεια κάτω από το μικροσκόπιο, παρακολούθησε τους ίδιους τους πυρήνες σε έναν σχηματισμό που μοιάζει με πλέγμα. Επιπλέον, τα κυτταρικά όργανα (οργανίδια) και οι σκελετικές πρωτεΐνες τοποθετήθηκαν γύρω από τους πυρήνες, δημιουργώντας διαμερίσματα που, για τον Cheng, έμοιαζαν με ένα φύλλο κυττάρων δέρματος.

Ο Cheng προσπάθησε ξανά, αυτή τη φορά χωρίς το σπέρμα. Ωστόσο, τα διαμερίσματα που μοιάζουν με κύτταρα εμφανίστηκαν. «Απλώς σκέφτηκα, πώς θα μπορούσε να είναι; Ομογενοποιήσαμε τη ζωντανή ύλη, το βιολογικό υλικό. Πώς θα μπορούσε να επιστρέψει σε κάποιο είδος δομημένου οργανισμού;» είπε ο Τσενγκ. "Είναι σαν να επιστρέφεις στη ζωή."

Όσο εντυπωσιακή κι αν ήταν αυτή η δραστηριότητα, δεν ήταν χωρίς προηγούμενο. Η αυτοοργάνωση εμφανίζεται σε πολλά επίπεδα στα ζωντανά συστήματα. Συνδέστε τη σωστή αλληλουχία αμινοξέων μαζί και μια μακρά πεπτιδική αλυσίδα θα διπλωθεί σε μια πρωτεΐνη που λειτουργεί. Τα κύτταρα σε ένα πρώιμο έμβρυο οργανώνονται για να δημιουργήσουν ιστούς για να χτίσουν έναν άνθρωπο.

Παρομοίως, οι επιστήμονες έλαβαν τα μοριακά συστατικά πολλών κυτταρικών δομών - συμπεριλαμβανομένων των ριβοσωμάτων, του ενδοπλασματικού δικτύου, της ατράκτου που διαιρεί τα χρωμοσώματα κατά την κυτταρική διαίρεση και των συμπλεγμάτων που πυροδοτούν ένα μητρικό κύτταρο να χωριστεί σε κόρες - και τα ώθησαν να επανασυναρμολογηθούν έξω από τη ζωή. κελιά.

Ωστόσο, παρά τις προηγούμενες επιτυχίες των επιστημόνων στο να αναδυθούν διάφορες κυτταρικές δομές έξω από το φυσικό περιβάλλον του κυττάρου, οι Cheng και Ferrell είναι οι πρώτοι που κάνουν ολόκληρο το κυτταρόπλασμα να τακτοποιηθεί σαν μέσα σε ένα ολόκληρο κύτταρο, δήλωσε η Rebecca Heald, κυτταρική βιολόγος στο το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Μπέρκλεϋ.

«Είναι μια εκπληκτική επίδειξη των ιδιοτήτων του κυτταροπλάσματος και της ικανότητάς του να αυτοοργανώνεται», είπε. "Οπτικά, είναι απίστευτα εντυπωσιακό ότι μπορείς να κάνεις αυτό το είδος οργάνωσης να συμβεί αυθόρμητα μετά την ομογενοποίηση αυτών των αυγών."

Βλέποντας τα διαμερίσματα να αναδύονται έκαναν τον Cheng και τον Ferrell να θέλουν να μάθουν πώς συνέβη. Ήξεραν εξαρχής ότι το DNA που περιέχεται στο σπέρμα δεν ήταν υπεύθυνο, αφού η αυτοοργάνωση δεν θα απαιτούσε την έκφραση γονιδίων. Ωστόσο, γρήγορα εξέτασαν έναν άλλο ύποπτο:ένα οργανίδιο σε σχήμα αστεριού που ονομάζεται αστέρας που προέρχεται από το σπέρμα. «Σκεφτήκαμε, αχ, τα σπερματοζωάρια δημιουργούν αστέρες και οι αστέρες διαιρούν το κυτταρόπλασμα», είπε ο Ferrell.

Αυτοί οι αστέρες, κατασκευασμένοι από κοίλες ράβδους που ονομάζονται μικροσωληνίσκοι, ξεφυτρώνουν από μια δομή γνωστή ως κεντρόσωμα, η οποία οργανώνει τους μικροσωληνίσκους. Όταν τα κύτταρα αναπαύονται μεταξύ των διαιρέσεων, οι αστέρες μικροσωληνίσκων οργανώνουν το περιεχόμενο του κυττάρου. Τα ωάρια βατράχου δεν διαθέτουν χρησιμοποιήσιμα κεντροσώματα, επομένως όταν ο Cheng πρόσθεσε το σπέρμα, έδωσε στο κυτταρόπλασμα ένα ισχυρό οργανωτικό εργαλείο.

Αλλά όχι κάτι που το κυτταρόπλασμα δεν μπορούσε να κάνει χωρίς: Ελλείψει σπέρματος, η διαδικασία συνέβη ακόμα, αν και πήρε σχεδόν διπλάσιο χρόνο και προχώρησε διαφορετικά. Μικρά κενά σχηματίστηκαν στο κυτταρόπλασμα και στη συνέχεια συνενώθηκαν σε κενές οριακές ζώνες. Μέσα σε αυτά τα όρια, οι μικροσωληνίσκοι οργανώθηκαν, δημιουργώντας τελικά διαμερίσματα που έμοιαζαν πολύ με αυτά που σχηματίστηκαν υπό την καθοδήγηση των κεντροσωμάτων του σπέρματος.

«Αυτό δεν με εκπλήσσει, αλλά είμαι σίγουρος ότι εξέπληξε άλλους ανθρώπους», είπε ο Χιλντ. Η δική της έρευνα, μαζί με αυτή άλλων, έχει δείξει ότι είναι δυνατό να δημιουργηθούν δομές μικροσωληνίσκων χωρίς κεντροσώματα. Το κλειδί βρίσκεται στους ίδιους τους μικροσωληνίσκους. «Η βιολογία είναι γεμάτη πλεονασμό, γιατί όταν μια διαδικασία είναι πολύ σημαντική, θέλεις να έχεις πολλούς μηχανισμούς που την υποστηρίζουν», είπε.

Όπως οι μαγνήτες, οι μικροσωληνίσκοι είναι πολωμένοι. Με τα θετικά άκρα τους να αναπτύσσονται προς τα έξω και τα μείον άκρα προσκολλημένα στο κεντρόσωμα, το οποίο συχνά βρίσκεται κοντά στον πυρήνα, σχηματίζουν αυτό που περιγράφει ο Heald ως πυξίδα μέσα στο κύτταρο. Πρωτεΐνες κινητήρα, όπως η δυνεΐνη, μεταφέρουν φορτίο κατά μήκος των μικροσωληνίσκων, καθοδηγούμενες από την πολικότητα τους. (Μερικές φορές αυτό το φορτίο περιλαμβάνει κομμάτια μικροσωληνίσκων που πρέπει να μεταφερθούν.)

Η αυτοοργάνωση απαιτεί τόσο μικροσωληνίσκους όσο και κινητικές πρωτεΐνες, βρήκαν οι Cheng και Ferrell. Όταν εμπόδισαν το σχηματισμό μικροσωληνίσκων και ανέστειλαν τη δυνεΐνη να λειτουργήσει, ο σχηματισμός του διαμερίσματος σταμάτησε ή είχε σοβαρή βλάβη. Οι επιστήμονες περίμεναν ότι ένα άλλο σημαντικό συστατικό της εσωτερικής δομής ενός κυττάρου, τα λεπτά νημάτια της πρωτεΐνης ακτίνης, θα οδηγούσαν επίσης στην οργάνωση, ωστόσο η ακτίνη αποδείχθηκε περιττή.

Ο Heald υποψιάζεται ότι, με ορισμένες εξαιρέσεις, άλλα κύτταρα διαθέτουν παρόμοια ικανότητα αυτοσυναρμολόγησης. «Ορισμένοι τύποι κυττάρων έχουν πολύ πιο περίπλοκους οργανισμούς που δεν μπορούσαν να ανακεφαλαιωθούν», έγραψε σε ένα email. Ο Τσενγκ δοκιμάζει τώρα άλλους τύπους κυττάρων και ωαρίων από άλλα είδη.

Αυτή η ικανότητα μπορεί να είναι χρήσιμη όταν τα κύτταρα ολοκληρώσουν τη διαίρεση και πρέπει να αναδιοργανώσουν τα συστατικά που μόλις κληρονόμησαν, είπε ο Ferrell. Υποψιάζεται επίσης ότι ορισμένοι τύποι κυττάρων μπορεί να έχουν ιδιαίτερη ανάγκη αυτοσυναρμολόγησης, όπως τα κύτταρα του ανοσοποιητικού και τα καρκινικά κύτταρα που συμπιέζονται μέσα από στενούς χώρους στους ιστούς και πρέπει να ανακατεύουν το περιεχόμενό τους στη διαδικασία.

"Πιστεύω ότι δεν έχουμε μάθει ακόμα εντελώς το μάθημά μας για το πόσο δυναμικά τα βιολογικά συστήματα εξελίσσονται και επιλέγονται όχι μόνο για να λειτουργούν αλλά και να χτίζονται, να οργανώνονται", είπε ο Ferrell.

Τα αυτό-οργανωμένα διαμερίσματα δεν διαθέτουν ένα κύριο συστατικό των κυττάρων:τις μεμβράνες. Η μεμβράνη που περιβάλλει ένα κύτταρο το καθορίζει και τη σχέση του με τον έξω κόσμο. «Είναι σαν το δέρμα ενός οργανισμού», είπε ο Michel Bornens, κυτταρικός βιολόγος στο Ινστιτούτο Curie στο Παρίσι, στο Quanta σε ένα email.

Χωρίς μεμβράνες, τα διαμερίσματα μοιάζουν με φυσικές βιολογικές παραξενιές που ονομάζονται syncytia. Σε αυτά τα μεγάλα κύτταρα, που βρίσκονται σε οργανισμούς όπως μούχλα λάσπης και έμβρυα μύγας φρούτων, πολλαπλοί πυρήνες μοιράζονται το ίδιο κυτταρόπλασμα. Ένα έμβρυο μιας μύγας μπορεί να περιέχει περίπου 6.000 πυρήνες χωρίς όρια μεταξύ τους, σύμφωνα με τον Erik Griffin, αναπτυξιακό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο Dartmouth. «Για μένα αυτό μοιάζει», είπε για τα διαμερίσματα που μοιάζουν με κυψέλες, προσθέτοντας ότι πιθανότατα θα βοηθήσουν να εξηγηθεί πώς ένα τόσο μεγάλο συγκυτιακό σύστημα μπορεί να οργανωθεί.

Όπως οι πυρήνες μέσα στο αναπτυσσόμενο έμβρυο μύγας φρούτων, τα διαμερίσματα που περιείχαν σπέρμα στα πειράματα του Cheng και του Ferrell χωρίστηκαν για να παράγουν περισσότερο από τον εαυτό τους - ένα «εντελώς απροσδόκητο» αποτέλεσμα για τον Heald. Κανονικά, οι μεμβράνες θα οριοθετούσαν αυτή τη διαδικασία, αλλά αντίθετα τα κενά που περιβάλλουν τα διαμερίσματα έγιναν τα όρια. «Αν δεν έχεις όριο, δεν μπορείς να δεις να συμβαίνει διαίρεση», είπε. "Αυτό έκανε αυθόρμητα ένα όριο."

Η εύρεση ενός τρόπου για τη μόνωση των επιμέρους κυτταρικών διαμερισμάτων μέσα σε μια μεμβράνη, και με αυτόν τον τρόπο για να γίνουν «πραγματικά ανασυσταμένα κύτταρα», θα ήταν η πραγματική ανακάλυψη, είπε ο Bornens.

Για περισσότερες από δύο δεκαετίες, οι βιολόγοι προσπάθησαν να ανασυνθέσουν κύτταρα από ένα ελάχιστο σύνολο συστατικών. Τέτοια τεχνητά κύτταρα μπορεί να είναι ακόμα μακριά, αλλά θα μπορούσαν να προσφέρουν ισχυρές γνώσεις για το πώς λειτουργούν και χτίζονται τα φυσικά κύτταρα. θα μπορούσαν επίσης να αποκαλύψουν πώς τα κύτταρα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν για νέους σκοπούς.

Μέχρι σήμερα, οι βιολόγοι έχουν προσπαθήσει να χωρίσουν τα τεχνητά κύτταρα με διάφορους τρόπους, όπως χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά σταγονίδια και θαλάμους. Ωστόσο, η ανακάλυψη ότι το κυτταρόπλασμα μπορεί να οργανωθεί σε κυτταρικά διαμερίσματα υποδηλώνει ότι η μηχανική μπορεί να είναι περιττή, σύμφωνα με τον Griffin. «Το κύτταρο θα το κάνει μόνο του», είπε. «Η διάκριση είναι ότι επιβάλλεις τη δομή, και εδώ διαμορφώνεται φυσικά.»