“Pikaso” punoglavci

…ili zašto matore planarije ne postoje i kako će odgovor na to pitanje izlečiti rak

Vrlo često čitamo o organizmima sa neverovatnom sposobnošću regeneracije, međutim retko se priča o velikoj moći malog deteta. Deca do perioda 7-11 godine imaju sposobnost da potpuno regenerišu odsečene vrhove prstiju. Kako se to dešava? Da bi tako nešto bilo moguće, naše ćelije moraju da dobiju instrukcije za taj proces iz njihovog jedra tj. iz njihovih gena koji upravljaju svim ćelijskim životnim procesima; ali genom ne sadrži instrukcije o tome šta bi ćelija trebalo da napravi i kada bi trebalo da prestane sa deljenjem, odakle joj onda ta informacija?

Znamo da nam samo diferencijacija stem ćelija nije dovoljna. Teratom je vrsta tumora koja nastaje nekontrolisanom deobom i diferencijacijom germinativnih ćelija, zbog čega iako se često nalazi u jajnicima ili testisima može da sadrži zube ili kosu. Dakle, postoji neki drugi sistem koji kontroliše taj rast i diferencijaciju koji sprečava pojavu teratoma, koji ne zavisi samo od DNK. Rad tog sistema najbolje možemo da vidimo na primeru punoglavaca. 

Priča o punoglavcima

Punoglavci tokom svog razvića drastično menjaju izgled da bi se razvili u odraslu žabu. Neverovatno je to što i punoglavci sa nekim poremećajem u razvoju u velikoj većini slučajeva ipak odrastu u zdravu odraslu jedinku. Zovemo ih “Pikaso” punoglavci zbog njihovog bizarnog izgleda usled izmenjenog položaja delova lica npr. oči se nalaze gde bi usta trebalo da budu, usta se nalaze na čelu itd. Tokom razvića, “Pikaso” punoglavcima će se usta sa čela pomeriti nadole a oči će se pomeriti sa strane, vratiće se na mesto na kojem je prvobitno trebalo da se nalaze.

Šta omogućava ćelijama ovakav nivo usklađenosti? Naime, osim neurona, i ostale ćelije takođe mogu da komuniciraju uz pomoć bioelektriciteta. Zbog toga što pričamo o svim ćelijama osim o nervnim, ova pojava je nazvana ne-neuralni bioelektricitet. Kao i neuroni, i ostale somatske ćelije takođe poseduju sinapse kojima su povezane međusobno. Otvaranjem i zatvaranjem jonskih kanala one će promeniti svoju voltažu, koju će preko sinapsi preneti drugoj ćeliji.

Ovu pojavu je takođe zapazio i Majkl Levin, profesor sa Tafts univerziteta u SAD koji se bavi istraživanjem donošenja odluka ćelija u procesima embriogeneze i regeneracije. Eksprimentišući sa svojim timom na “Pikaso” punoglavcima, uz pomoć voltažno senzitivne fluorescentne boje, Levin je primetio da se ćelije tokom razvoja embriona polarizuju, i da će u zavisnosti od polarizacije ćelija u embrionu, punoglavac poprimiti odgovarajući izgled. Gledajući polarizaciju ćelija, možemo da predvidimo koja ćelija će se razviti u određeni deo tela.

U stvari, način na koji će se oko punoglavca pomeriti nazad na svoje mesto jeste tako što će komunicirati sa ostalim ćelijama i uskladiće se sa njima uz pomoć molekularnog bioelektriciteta.

Priča o planariji

Nakon punoglavaca, Levin se sa svojim kolegama okrenuo ka životinji sa neprikosnovenom sposobnošću regeneracije- planariji. Planarija je pljosnati crv i kada ga isečemo na čak 200 delova i više, iz svakog dela može da se regeneriše nova zdrava jedinka planarije. Zahvaljujući toj regenerativnoj moći, jedini način na koji ovaj organizam može da ugine jeste ako se pojede/otruje/ubije, jer planarija svaku ćeliju koja ostari vrlo lako obnovi. U prirodi ne postoji matora planarija!

Kako bi istražili način na koji ćelije planarije znaju koja strana kraj pravi glavu, a koja rep, uzeli su isečenu planariju i probali da manipulišu sinapsama i jonskim kanalima ćelija. Nisu koristili nikakve spoljne elektrode, već su delove stavljali u rastvore raznih sastava i koncentracija i uz pomoć svetla, lekova i iRNK otvarali i zatvarali specifične sinapse i jonske kanale kako bi promenili polarizovanost ćelija. Kada bi se polarizacija dva kraja isečka izjednačila na određen način, nastajale bi dve nove bizarne varijacije planarije: Jedna varijacija bi imala po jednu glavu na oba kraja, a druga bi imala po jedan rep na oba kraja. Ono što je najzanimljivije je kada bi se te planarije ponovo isekle na komadiće, svaki komadić bi nastavio da regeneriše ili dve glave tj. u drugom slučaju dva repa! Anatomski “nacrt” koji su ćelije imale zabeležen bi se potpuno izmenio!

Pored izmene načina komunikacije, takođe su i potpuno prekinuli komunikaciju. Kada bi planarija kojoj su odsečeni glava i rep bila potopljena u rastvor sa blokatorima sinapsi i nakon toga ponovo vraćena u normalnu sredinu, nekada bi se normalno regenerisala, a nekada bi regenerisala odlike nekih potpuno drugih vrsta npr. glava bi bila oblija ili ravnija. Ne samo to, nego bi se promenio i oblik mozga i raspored stem ćelija, i to bi se promenio tako da odgovara tačno tim drugim vrstama čije je morfološke odlike ta planarija poprimila. Zapamtite, ovo nije nikakav genetski inženjering, dakle DNK je netaknuta, sve što su uradili je da su promenili rad jonskih kanala i sinapsi!

Otkriće načina na koji ćelije određuju svoju diferencijaciju i raspored u organizmu nam je otvorio nova vrata ne samo u biologiji, nego i u mnogim drugim disciplinama. Obnavljanje starih organa, lečenje raka, sprečavanje genetskih poremećaja bez preke potrebe za komplikovanim i skupim genetskim inženjeringom su sve, iako daleka, i više nego moguća otkrića koja će promeniti način na koji tretiramo ćelije. Od starih kompjutera, kojima smo morali da fizički menjamo strukturu iliti hardver kako bi ih programirali, ući ćemo u novo doba, gde ćemo ćelije programirati uz pomoć izmene “blueprint”-a iliti softvera. Počinje biodigitalna revolucija.

Izvori:

• Michael Levin: Anatomical decision-making by cellular collectives
• Molecular bioelectricity: how endogenous voltage potentials control cell behavior and instruct pattern regulation in vivo:
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4244194/