Разгадка секретного электрического языка наших клеток, может навсегда изменить человечество
Привет. В этом посте речь пойдет о по-настоящему прорывных исследованиях в области биомедицины и синтетической биологии. Результаты, уже полученные учеными, впечатляют. Потенциал применения технологии может сделать самые фантастические идеи обыденной реальностью.
Почему мы можем залечить рану, но не можем отрастить оторванную конечность? Ученые считают, что ключ лежит в секретном электрическом языке, который используют наши клетки, чтобы общаться друг с другом и, возможно, мы недалеки от взлома этого кода.
Ученые из университета Тафтса, провели несколько экспериментов по наращиванию волос, выращиванию у червей двух голов, а у лягушек дополнительных конечностей. В то время, как большинство исследователей полагало, что такие изменения связаны с генной инженерией, но, на самом деле, исследователи манипулируют биоэлектрическими сигналами, которые сообщают тканям и клеткам план развития тела.
Перспектива заключается в том, что, если мы сможем научиться понимать и контролировать эти сигналы, мы, в конечном итоге, сможем помочь людям восстановить поврежденные конечности и органы, восстанавливать врожденные дефекты или даже перепрограммировать рак.
Прежде всего, ученые хотят понять, как биологические системы обрабатывают информацию. Поэтому их интересует, как ткани принимают решения, как они хранят воспоминания, как клетки взаимодействуют между собой.
Если появится понимание того, как биологические системы принимают решения, ученые смогут получить возможность манипулировать механизмами принятия таких решений в биомедицинских целях. Например, перепрограммировать опухоль или запустить процесс восстановление травмы. Таким образом, цель состоит в том, чтобы понять, а затем с медицинской точки зрения использовать удивительную способность живых тканей хранить и обрабатывать информацию.
Сегодня существует множество лабораторий, изучающих молекулярные механизмы функционирования клеток и тканей. Но в данном случае ученых интересуют не только эти механизмы, но и информационный контент, а также алгоритмы, используемые клетками и тканями. Это формирующаяся область, называемая примитивным познанием, которая затрагивает вопрос о том, как работают когнитивные системы, которые не обязательно являются мозгом. Поэтому все от растений, одноклеточных организмов до тканей имеют инструмент обработки информации.
В дополнение к общим биохимическим и молекулярным аспектам, которые обычно изучают в настоящее время, исследователи разрабатывают совершенно новое понимание клеточной коммуникации, которая происходит электрическим путем. Оказывается, все клетки, а не только нейроны, общаются электрически. В новом исследовании впервые были разработаны молекулярные инструменты, позволяющие действительно "слушать" электрические "разговоры" клеток и тканей, и разработать стратегии для манипуляцией этими "разговорами". Таким образом, появилась возможность контролировать не только поведение отдельных клеток, но, что более важно, контролировать формирование и регенерацию крупномасштабного тела путем изменения электрической связи между клетками.
То, что мы знаем сейчас, заключается в том, что электрические сигналы действительно важны в ряде регенеративных событий. Мы не знаем, насколько легко или сложно будет манипулировать этими вещами для биомедицины человека. Но ученые уже представили приложения для некоторых действительно перспективных типов контроля в системах, отличных от человека, а также в человеческих клетках. Но как это будет происходить во взрослом человеке, неизвестно.
Еще многое предстоит выяснить о том, как электрические свойства кодируют крупномасштабные модели, такие, как конечности. Большой проблемой на следующее десятилетие или больше является понимание того, как электрические свойства в глобальном масштабе контролируют такие вещи, как размер, форма, положение и идентичность органов.
Одной из самых неожиданных и важных вещей, которая была установлена в результате новой работы, было то, что если правильно управлять биоэлектрическими цепями, можно добиться изменения формы тела, добиваясь формы полностью отличной от стандартной модели для этого вида, не касаясь генома. Оказывается, геном кодирует аппаратное обеспечение. Но как только у вас есть это оборудование и программное обеспечение, работающее на нем, управление всеми электрическими сигналами, которые посылают друг другу клетки, действительно довольно податливо для искусственного изменения. Таким образом, связь между геномом и анатомией не совсем то, что люди думали до сих пор, существует много возможностей вносить изменения, несмотря на неизменность генома.
Биоэлектричество отвечает за план управления и регенерацию
Электрические сигналы взаимодействуют со всеми другими типами клеточных сигналов, такими как химические сигналы или физические силы, такие как давление и напряжение. Ученые считают, что это одни из самых привлекательных типов сигналов для контроля принятия решений.
Исследования показывают, что биоэлектричество - это то, как клетки и ткани принимают широкомасштабные решения, поэтому это очень удобная контрольная точка. И хотя это не единственный контрольный пункт, похоже, что у него много преимуществ, потому, как электрические сети - действительно хороший способ выполнять вычисления. Совсем не случайно, наш мозг использует электрические сети для вычислений, также, как и наши компьютеры используют электрические сети.
Означает ли это, что существуют важные совпадения между тем, как жизненные системы и компьютеры обрабатывают информацию?
Это не факт, что живые ткани работают точно так, как работают современные компьютеры. Тем не менее, все, чему мы научились в информатике, открывает нам способ понять, как живые ткани используют электричество. Это то, что позволило информатике произвести революцию в области информационных технологий.
Большинство людей думает, что следующая революция произойдет в области биологии и медицины. Исследователи из университета Тафтса полагают, что для этого нам действительно нужно понять различие между биологическим "оборудованием" и биологическим "программным обеспечением". Сейчас наука об этой области очень хорошо манипулирует "аппаратным обеспечением", мы очень хорошо воздействуем на молекулы, но наши возможности значительно уменьшаются, когда речь заходит о контроле над отдельной клеткой.
Нам нужна не просто способность возиться с аппаратным обеспечением, мы на самом деле должны иметь возможность контролировать процессы принятия решений, основанные на алгоритмах, используемых клетками и тканями, для определения того, что они должны делать. Вот почему именно информатика привела к прорыву в области информационных технологий - компьютерные ученые выяснили, как добиваться результата на уровне управления информацией, а не на уровне самого оборудования. Биология и медицина должны двигаться в этом же направлении.
Одна вещь, которую ученые недавно показали в регенерирующей модели плоского червя, заключалась в том, что одно и то же тело может хранить по меньшей мере две разные памяти образцов. Если посмотреть на анатомию и молекулярные маркеры, трудно будет найти разницу. Но то, что сделали исследователи, - это переписали биоэлектрический образец, который червь будет использовать, чтобы решить, как регенерировать себя, если он будет поврежден в будущем.
Если вы порежете одного из этих измененных червей, они регенерируют с двумя головами, по одной на каждом конце, поэтому там, где идет хвост, будет голова. Для развивающей и регенеративной биологии это полный шок, что одно и то же тело с тем же геномом может хранить более одного возможного электрического образца, который служит памятью для регенерации. Это можно сделать без изменения геномной последовательности.
Ученые также провели эксперимент по воздействию на эмбриональных лягушек различными тератогенными соединениями, которые вызывают серьезные эмбриональные дефекты головного мозга, включая генетические мутации. Теперь есть возможность использовать новую модификацию электрического рисунка эмбриона, чтобы спасти нормальный мозг нормальной формы, с нормальной экспрессией генов и почти нормальным поведением, даже несмотря на то, что те тератогены присутствовали в организме. Это является доказательством принципа регенеративной медицины для устранения врожденных дефектов с использованием манипуляции с электрическим состоянием.
Приложения новой технологии для реальной жизни входят в четыре широкие категории. Первая - это способность распознавать и устранять врожденные дефекты. Регенеративная медицина травмы должна полностью измениться. Третья цель - борьба с раком. Уже существует несколько интересных работ, в которых показано, что мы можем перепрограммировать опухоли, управляя биоэлектрическими сигналами соответствующим образом.
Последнее применение - синтетическая биология. Сейчас синтетическая биология в основном работает на уровне отдельных клеток, перепрограммирует клетки для очистки токсинов и приготовления лекарств. Будущее синтетической биологии лежит в синтетической морфологии. Идея состоит в создании живых функциональных искусственных биологических машин. Это может быть что угодно: от растущих органов в культуре для трансплантации до создания маленьких биоботов, которые никогда не существовали раньше, чтобы выполнять небольшие задачи.
Некоторые из этих приложений будут доступны в следующем десятилетии. Рак - вероятно, наиболее близкая цель. Некоторые синтетические биоинженерные дисциплины обязательно должны появиться в ближайшие несколько лет.
Регенерация конечностей займет значительно больше времени, но это вполне возможно. В ближайшие несколько лет мы увидим некоторые важные приложения на этом направлении. Пока все, что обнаруживают ученые, является фундаментальной наукой, и необходимо тесное взаимодействие с людьми, которые работают в реальном биомедицинском секторе, чтобы адаптировать новые открытия в медицинские приложения.
Важно отметить, что способ контролировать многие из этих биоэлектрических процессов - это нацеливание на ионные каналы. Все существующие препараты, предназначенные для ионных каналов, - а их много, - дают невероятно мощный инструментарий. Они уже одобрены для использования в лечении людей.
Исследователи работают на платформе AI, которая поможет подобрать лекарства для конкретных целей. Вы сможете описать, какой результат вы хотите получить, и он будет использовать набор биоэлектрических тренажеров и баз данных лекарств, чтобы протестировать и выбрать лекарственные коктейли, которые сделают это возможным. Как только эта технология выйдет в Интернет, вероятно, через год или два, это действительно ускорит способность людей продвигать исследования в сфере биомедицины.
