Учёным давно известно, что через живые организмы проходит электрический ток. Простейшей иллюстрацией этого служит академический эксперимент, проводимый на уроках биологии, когда при пропускании электрического тока мышца лапки лягушки начинает сокращаться. Однако до недавнего времени существовала парадигма, что биоэлектричество используется для передачи сигналов с целью регуляции работы органов и систем, и это является прерогативой исключительно управляющей системы организма – нейронного мозга.
Тем не менее, ещё начиная с первой половины XX века, узкая группа прогрессивных исследователей предположила, что не только нейроны, но иные типы клеток вероятно могут использовать биоэлектричество для записи, хранения и передачи информации. Майкл Левин, биолог-новатор из Университета Тафтса погрузился в эту нетрадиционную тему и, опираясь на свой опыт в области информационных технологий, впоследствии совершил потрясающее открытие. Ещё будучи студентом, он обратил внимание на то, что все клетки организма имеют в своих мембранах ионные каналы, открывающиеся и закрывающиеся в зависимости от поступления электросигнала, и предположил, что клетки могут использовать это для обработки информации и координации своей деятельности.
Электрическое биомоделирование
Чтобы выяснить, действительно ли изменения напряжения обеспечивают передачу информации, Левин обратился к экспериментам с планариями – маленькими плоскими червями, обладающими уникальными способностями к регенерации. В 2000-х годах он разработал способ измерения напряжения в любой точке планарии и обнаружил разные электрические потенциалы на головном и хвостовом концах. Когда Левин использовал химические вещества, чтобы изменить напряжение хвоста на то, которое обычно наблюдается в голове, ничего не произошло. Но после того, как он разрезал планарий надвое, на головном конце вместо хвоста выросла вторая голова. Более того, когда Левин разрезал регенерировавшего червя пополам, из обеих частей снова выросли новые головы. Хотя черви были генетически идентичны нормальным планариям, однократное изменение напряжения привело к постоянному двуглавому состоянию.
Когнитивный клей
Для получения дополнительного подтверждения того, что биоэлектричество может контролировать форму и рост тела, Левин перешёл к опытам с африканскими шпорцевыми лягушками. Этих животных используют в качестве стандартных моделей в лабораторных экспериментах, потому что они быстро превращаются из яйца в головастика и затем во взрослую особь. Учёный обнаружил, что может вызвать создание нового функционирующего глаза в любом месте головастика, создав в этой зоне определённое напряжение. Затем, просто приложив правильную биоэлектрическую активность в течение 24 часов, он смог вызвать регенерацию функционирующей нижней конечности.
«Это вызов подпрограммы», — утверждает Левин. В компьютерном программировании под этим понимается фрагмент кода, который сообщает машине, что нужно инициировать целый набор механических действий более низкого уровня. Прелесть этого более высокого уровня программирования в том, что он позволяет нам управлять миллиардами схем без необходимости открывать машину и механически изменять каждую из них вручную. Так было и с созданием глаз головастика. Никому не приходилось заниматься микроменеджментом конструкции хрусталика, сетчатки и всех остальных частей глаза. Всем этим можно было бы управлять на уровне биоэлектричества. «Это буквально когнитивный клей, – говорит Левин. – Это то, что позволяет группам клеток работать вместе».
Интеллект вне мозга
Оказывается, и обычные клетки, а не только высокоспециализированные нейроны мозга способны к хранению и переработке информации. Майкл Левин доказал, что клетки осуществляют эти процессы, используя тонкие изменения в электрических полях. Открытие механизмов не нейронной памяти поставило исследователя из Университета Тафтса в авангард новой научной области, называемой базальным познанием. Учёные обнаружили признаки интеллекта – память, обучение, решение задач – вне мозга у различных организмов.
Левин посвятил значительную часть своей научной карьеры изучению того, как коллективы клеток контактируют для решения сложных задач в процессе морфогенеза, как они работают вместе, чтобы расположить органы и конечности именно в нужных местах и предположил, что регуляция этих процессов осуществляется с помощью биоэлектричества. Осознание этого частично пришло из наблюдения за развитием когтистых лягушек. При превращении из головастиков во взрослую особь их лица претерпевают масштабные изменения. Голова меняет форму, а глаза, рот и ноздри перемещаются в новое положение. Распространённым предположением было то, что эти перестройки жёстко запрограммированы и следуют простым механическим алгоритмам, детерминированными генами, но Левин подозревал, что это не так. Поэтому он с помощью электрических импульсов нарушил нормальное развитие эмбрионов лягушек, создав головастиков с глазами, ноздрями и ртами, расположенными в атипичных местах. Левин окрестил их «головастиками Пикассо», и они действительно выглядели соответствующе.
Если ремоделирование заранее запрограммировано, окончательные формы лягушки должны были бы сохраниться такими же испорченными, как и у головастика. Ничто в эволюционном прошлом лягушки не дало ей генов, способных справиться с такой новой ситуацией. Но Левин с изумлением наблюдал, как глаза и рты нашли правильное расположение, а головастики превратились в нормальных взрослых особей.
У клеток была абстрактная цель, и они работали вместе для её достижения. «Это интеллект в действии, – писал Левин, – Способность достичь определённой цели или решить проблему, предпринимая новые шаги перед лицом меняющихся обстоятельств». Слитые в коллективный разум посредством биоэлектричества, клетки достигли результатов в биотрансформации, намного превосходящих достижения наших лучших генных инженеров.
Ксеноботы и антропоботы
В лаборатории Левина применили микрохирургию для удаления живых стволовых клеток кожи африканской когтистой лягушки и поместили их в воду. Спустя некоторое время клетки самоорганизовались в структуру размером с кунжутное семя и стали действовать как единое целое. Клетки кожи имеют реснички – крошечные волоски, которые обычно удерживают слой защитной слизи на поверхности взрослой лягушки, но эти новые создания использовали свои реснички как вёсла, гребя ими в своём новом мире. Они перемещались по лабиринтам и даже зашивали полученные раны. Эти особи определённо не были лягушками, несмотря на одинаковый геном, а стали чем-то иным и максимально использовали свои новые навыки. Поскольку клетки изначально произошли от лягушек рода Xenopus, учёные назвали эти существа «ксеноботами». В 2023 году они показали, что аналогичных результатов можно достичь с помощью частей другого вида – клеток лёгких человека. Скопления человеческих клеток самособирались и перемещались определённым образом. Команда Университета Тафтса назвала их «антропоботами».
«Всё живое, что вы видите, делает удивительные вещи, – отмечает Памела Лайон из Университета Аделаиды (ей принадлежит термин базальное познание). – Если бы самолет мог это сделать, он бы доставлял топливо и сырьё из внешнего мира, одновременно производя не только свои компоненты, но и машины, необходимые для изготовления этих компонентов, и выполняя ремонт, и всё это во время полета! То, что мы делаем, – не что иное, как чудо».
Биоконденсаты
Со школьной программы известно, что источником электрической энергии в клетках являются митохондрии. Однако, в последние годы было совершено очень интересное открытие. Оказалось, что митохондрии не единственные, кто может генерировать энергию в биологических системах. Кстати, существует теория, что митохондрии – это бактерии-симбионты, которые на каком-то этапе эволюции присоединились к клеточным системам. Группа учёных из Университета Дьюка и Стэнфордского университета обнаружили электрические поля, существующие вокруг внутриклеточных структур, называемых биологическим конденсатом. Электрическое поле возникает на границе раздела жидкость-жидкость между конденсатом в объёмной среде в результате перехода ионов и молекул, вызванного фазовым разделением. Исследователи обнаружили, что граница раздела конденсатов может запускать спонтанные окислительно-восстановительные реакции in vitro и в живых клетках. Таким образом для генерации электрического тока наличие мембран, которые считались обязательными для этого процесса, оказалось в принципе не нужным.
Другое исследование, проведённое специалистами из Юго-западного медицинского центра Техасского университета и Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка и опубликованное в журнале Nature, определяет эти структуры как компартменты микронного размера в эукариотических клетках, не имеющие мембран и функционирующие для концентрации белков и нуклеиновых кислот. Эти физико-химические системы участвуют в различных процессах, включая метаболизм РНК, биогенез рибосом, реакцию на повреждение ДНК и передачу сигналов.
Биоэлектротерапия будущего
Левин считает, что открытие способности биоэлектрических токов к регуляции морфогенеза может иметь далеко идущие последствия не только для нашего понимания эволюции живых существ, но и для медицины. Научиться «говорить с клетками» – координировать их поведение с помощью биоэлектричества – может помочь нам лечить рак. Нормальные клетки запрограммированы функционировать как часть коллектива, выполняя поставленные задачи. Но онкоклетки перестают выполнять свою работу и начинают относиться к окружающему организму, как к незнакомой среде, самостоятельно стремясь к поиску питания, размножению и защите от нападения. Другими словами, они действуют, как независимые организмы.
Почему они теряют свою групповую идентичность? «Отчасти,– говорит Левин, – Такое происходит потому, что механизмы, поддерживающие слияние клеточного разума, могут дать сбой. Стресс, химические вещества, генетические мутации – всё это может привести к нарушению этой связи». Его команде удалось вызвать опухоли у лягушек, просто наложив мозаику «плохой» биоэлектрической активности на здоровые ткани.
Ещё более удивительно то, что Левин рассеял опухоли, восстановив правильный биоэлектрический паттерн – по сути, возобновив связь между отделившейся группой опухолевых клеток и телом. По его мнению, в какой-то момент в будущем биоэлектрическая терапия может быть применена к раку человека, останавливая рост опухолей. Это также может сыграть роль в регенерации вышедших из строя органов – скажем, почек или сердца – если учёные смогут взломать биоэлектрический код и произвести правильную инъекцию биоэлектричества, которая заставит клетки начать рост по правильным шаблонам.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Загадки биологии и медицины»:
