Niesamowite sposoby, w jakie elektryczność w twoim ciele kształtuje ciebie i twoje zdrowie.
Twoje komórki tętnią sygnałami elektrycznymi, które kierują rozwojem embrionalnym i leczą rany. Jeśli nauczymy się manipulować tym „kodem bioelektrycznym”, być może uda nam się zapobiec rakowi, a nawet wyhodować nowe kończyny.
Kiedy Dany Adams po raz pierwszy odtworzyła nagranie, nie było nic do zobaczenia. Kijanka miała na tyle wykształcony ogon, że odpłynęła poza kadr, pozostawiając jedynie pusty ekran. „No cóż”, pomyśleliśmy. „Kolejna kijanka zginęła”. Ale kamera pracowała przez całą noc, więc z zapałem przewinąwszy taśmę, była pewna, że uchwyciła coś ciekawego. To, co zobaczyła, było naprawdę interesujące. „Szczęka mi opadła, aż do podłogi”, wspomina.
Na filmie widać było embrion żaby, który dzieli się, by stać się kijanką. Wtedy ten mały, gładki kłębek zaczął się świecić. Wzorce elektryczne rozbłysły serią niepowtarzalnych obrazów: dwoje uszu, dwoje oczu, szczęki, nos. Te widowiskowe obrazy nie trwały długo. Ale dwie lub trzy godziny później, dokładnie tam, gdzie się mieniły, pojawiły się prawdziwe rzeczy: dwoje uszu, dwoje oczu, szczęki, nos. Wreszcie był to dowód, którego szukała w swojej roli w dziesięcioletnim projekcie podjętym przez Michaela Levina na Uniwersytecie Tufts w Massachusetts. Pokazał on, że wzorce elektryczne stanowią plan, który kształtuje rozwijające się ciało, koordynując, gdzie umieścić twarz i rozwinąć inne elementy.
Choć brzmi to zdumiewająco, jest to tylko jedna z wielu ról, jakie elektryczność odgrywa w biologii. Istnieje coraz więcej dowodów na to, że oprócz instruowania rozwoju, elektryczność wpływa na wszystko, od gojenia się ran po nowotwory. „Gradienty bioelektryczne i komunikacja mają fundamentalne znaczenie dla życia” – twierdzi Levin. Jeśli uda nam się zmapować ten „elektrom” i nauczyć się go dekodować, zdumiewające konsekwencje dla naszego zdrowia będą dopiero początkiem.
Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się nad zagadnieniem bioelektryczności, istnieje prawdopodobieństwo, że myślałeś o układzie nerwowym. Od dawna wiemy, że zdolność neuronu do przekazywania wiadomości zależy od elektryczności – a konkretnie od układu, który zapewnia, że różne jony pozostają po różnych stronach błon komórek nerwowych. Neurony lubią trzymać jony potasu wewnątrz, a jony sodu na zewnątrz. Oba rodzaje jonów są dodatnio naładowane, ale z powodu kaprysów gradientów stężenia jonów i skomplikowanych układów równoważnych, wnętrze neuronu jest o około 70 miliwoltów bardziej naładowane ujemnie niż na zewnątrz. Jest to tzw. potencjał spoczynkowy.
Sygnalizacja elektryczna
Chociaż potencjał spoczynkowy jest niewielki – około jednej dziesiątej napięcia, które aktywuje tranzystor w mikroprocesorze obsługującym Twój telefon – jest on niezbędny do funkcjonowania komórek nerwowych. Aby utrzymać to napięcie, błona komórkowa jest usiana dziesiątkami tysięcy maleńkich kanałów, przez które przemieszczają się jony sodu i potasu, wraz z miniaturowymi pompami, które wyrzucają sodowych intruzów. Gdy pobudzimy neuron, jego kanały jonowe otwierają się, jony potasu i sodu zamieniają się miejscami, a napięcie spada do zera – proces ten nazywamy depolaryzacją. Pompy i kanały szybko przywracają potencjał spoczynkowy do poziomu -70 miliwoltów, a powstały w ten sposób skok napięcia, zwany potencjałem czynnościowym, przesuwa się wzdłuż nerwu jak fala, podczas gdy inne części błony komórkowej ulegają depolaryzacji. W ten sposób układ nerwowy przekazuje wszystkie sygnały związane z odczuwaniem i ruchem w całym ciele, co sprawia, że potencjały czynnościowe mają fundamentalne znaczenie dla naszej zdolności do myślenia, mówienia, poruszania się i postrzegania świata.
Kiedyś uważaliśmy, że komórki nerwowe i mięśniowe to w zasadzie jedyne części ciała, które w sensowny sposób wykorzystują energię elektryczną. Okazuje się jednak, że błona otaczająca każdą z około 40 bilionów komórek działa jak mała bateria, wykorzystując kanały jonowe do utrzymywania napięcia w komórce. W ciągu ostatnich kilku dekad nowe narzędzia i spostrzeżenia ujawniły, że ta bioelektryczność, zwana elektromem, pełni w organizmie ogromną rolę.
Nie ma lepszego przykładu niż sposób, w jaki elektryczność kształtuje rozwijające się ciało. Wszyscy rozpoznajemy człowieka, kurczaka czy rybę, gdy tylko je zobaczymy. Ale skąd komórki rozwijającego się embrionu wiedzą, gdzie się udać, aby stworzyć to ciało, umieszczając wszystkie te palce, dzioby i płetwy w odpowiednim miejscu i wymiarach? Od lat 60. ubiegłego wieku badacze podejrzewali, że dziwne impulsy elektryczne wewnątrz zapłodnionych jaj są ważne dla ich rozwoju. Przekonanie to pogłębiło się dopiero wraz z postępami w genetyce. Dziesięciolecia badań nad genomami ujawniły niewielką ilość informacji, które mogłyby odpowiadać za kluczowe aspekty kształtu organizmu. Można znaleźć mnóstwo genów kodujących takie cechy jak wzrost czy kolor włosów, skóry i oczu. Ale nic nie mówi o tym, ile mamy oczu. Nie ma genu dla „dwóch gałek ocznych i czy mógłbyś je umieścić z przodu głowy”. To samo dotyczy nóg, rąk i uszu. Sam genom nie jest w stanie skonfigurować rozmieszczenia żadnej z tych cech.
Do 2009 roku było jasne, że zmiany w napięciu elektrycznym decydują o tym, jaką tożsamość przyjmują komórki, a nawet organy w trakcie rozwoju. Levin podejrzewał, że kształtują one również twarz. Ale jak to udowodnić? Istniejące narzędzia z dziedziny neuronauki – wszczepiane lub powierzchniowe elektrody – śledzą jedynie szybkie zdarzenia, takie jak potencjały czynnościowe, i zazwyczaj nie w sposób, który można zobaczyć gołym okiem. Rozwój odbywa się w znacznie dłuższym czasie i w całym organizmie, a nie tylko w pojedynczej komórce. Co więcej, wiele narzędzi z dziedziny neuronauki jest zbyt inwazyjnych i destrukcyjnych, by można je było wykorzystać do badania rozwijającego się organizmu.
Jedną z alternatyw było użycie barwnika raportującego napięcie. Tego typu substancje chemiczne przekładają różnice elektryczne na gradient jasności, gdzie wysokie napięcie pojawia się jako jasna biel, niskie jako czerń, a wszystko pomiędzy pokazuje się w odpowiednich odcieniach szarości. Levin i Adams wybrali substancję, która mogła być nieszkodliwie wprowadzona do zapłodnionego jaja, co pozwoliło im śledzić w czasie rzeczywistym każdy krok elektryczny w każdej komórce rozwijającego się embrionu. Żaby były oczywistym wyborem do przetestowania barwnika, ponieważ ich rozwój można obserwować bez konieczności zmagania się z macicą – ale to, co w tym przypadku dotyczy żab, okazuje się być prawdziwe dla wszystkich zwierząt, w tym dla nas.
Rezultat był niezwykły. Gdy członkowie zespołu oglądali swój materiał filmowy tego ranka w laboratorium w Tufts, barwnik ujawnił, że napięcie każdej komórki było wskazówką dla niej, aby przyjąć swoją szczególną tożsamość. Początkowo wszystkie niezróżnicowane komórki macierzyste embrionu oscylowały wokół 0 miliwoltów, ale w miarę rozwoju zwierzęcia jego rozmnażające się komórki przyjmowały różne napięcia w zależności od tkanki, którą będą tworzyć: -70 miliwoltów dla komórek nerwowych, bardziej zdecydowane -90 miliwoltów dla mięśni szkieletowych, bardziej wiotkie -50 miliwoltów dla komórek tłuszczowych i tak dalej. Te zmiany napięcia, które można było zaobserwować jako widmowe migotanie rysów twarzy, stanowiły plan, na którym opierała się rozwijająca się kijanka.
Jednak te zmiany w napięciu nie były tylko mapami, ale instrukcjami. Kolejne eksperymenty ujawniły, że włączały one geny, które pracowały nad stworzeniem fizycznego wzorca zwierzęcia. Zaburzanie wzorców elektrycznych zakłóca działanie kanałów jonowych i pomp, które są kluczowe dla utrzymania charakterystycznego napięcia każdego typu komórki podczas rozwoju, co powoduje radykalne zmiany fizjologiczne. Skorygowanie błędnych napięć podczas rozwoju naprawia problem. Zmieniając kilka z nich celowo, można kontrolować wzór ciała: w jednym z badań na żabach przesunięto miejsce, w którym rosły oczy, z twarzy na brzuch.
Wykorzystanie bio-elektryczności do leczenia.
Tymczasem inni badacze, w tym Min Zhao, obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, i jego współpracownicy, prowadzili eksperymenty mające na celu manipulowanie prądem urazowym. Ustalili jego rolę jako przełącznika sterującego, demonstrując, które sieci genów włącza, i odkryli, że zakłócanie odpowiednich kanałów jonowych w komórkach rogówki oka spowalnia gojenie, podczas gdy stymulacja elektryczna może je przyspieszyć. Zhao kieruje teraz inicjatywą Departamentu Obrony USA, której celem jest śledzenie i manipulowanie bioelektrycznością gojenia, co ma na celu skrócenie o połowę czasu gojenia się poważnych urazów. Próby kliniczne mają się rozpocząć w 2024 roku.
Dzięki manipulowaniu „kodem bioelektrycznym” udało się stworzyć robaki z drugą głową.
Ostatecznym celem tej linii badawczej jest nie tylko wyleczenie urazu w sposób typowy dla ludzi – niedoskonale, niekompletnie, z blizną – ale także odrastanie kończyn i organów w sposób, w jaki potrafią to robić wybrane zwierzęta. Ta linia badawcza jest tym, z czego Levin jest najbardziej znany: manipulowanie „kodem bioelektrycznym” pomogło mu wyhodować robaki z drugą głową i zregenerować żabie nogi na etapach życia, na których zwierzęta te zazwyczaj nie mogą już odrastać po utracie kończyn. Prace prowadzone są obecnie na myszach, a Levin jest współzałożycielem start-upu o nazwie Morphoceuticals, którego celem jest ostateczne zaadaptowanie tej metody na potrzeby ludzi.
Potencjalne zalety zrozumienia naszego elektromu są jeszcze bardziej spektakularne, jeśli chodzi o raka. Pracując w Tufts razem z Adamsem i Levinem, Brook Chernet odkryła, że możliwe jest wykorzystanie barwnika raportującego napięcie do wykrywania, kiedy komórki stają się złośliwe. Komórki nowotworowe wykazują pewne intrygujące wzorce elektryczne. W szczególności, przejście od zdrowych komórek charakteryzuje się gwałtownym spadkiem napięcia do około zera – podobnie jak brak napięcia w komórkach macierzystych. Tymczasem Mustafa Djamgoz z Imperial College London odkrył, że napięcie komórek nowotworowych oscyluje, podobnie jak prąd w komórce nerwowej. „To były zwykłe potencjały czynnościowe” – mówi. Okazuje się, że komórki rakowe potrzebują ich, aby komunikować się ze sobą o swoim środowisku, a zwłaszcza o przerzutach – ich rozprzestrzenianiu się po organizmie – co jest głównym sposobem zabijania przez raka.
Naukowcy, w tym Djamgoz i Levin, mają nadzieję wykorzystać blokery kanałów jonowych – obecnie podstawę wielu leków na serce – do tłumienia tych oscylacji i powstrzymania rozprzestrzeniania się nowotworów. Rzeczywiście, nowe badania sugerują, że ludzie przyjmujący te leki na serce mają większe szanse na przeżycie raka, jeśli go dostaną. A Chernet odkryła, że u żab, przesuwając napięcie komórek rakowych z powrotem do tych ze zdrowych komórek, powoduje cofnięcie się nowotworów. To jest jak przełącznik cofający. Obecnie kilka związków chemicznych znajduje się we wczesnym stadium badań klinicznych, których celem jest podrasowanie napięcia błonowego w celu zwalczania raka.
Ale napięcie błony komórkowej jest tylko jedną z części elektromu. Odkąd bioelektryczność znalazła się w centrum uwagi, badacze zidentyfikowali niezliczoną ilość nowych możliwości do zbadania. Na początek, komórki, które stają się rakowe, również emitują dziwne prądy elektryczne, ponieważ zmienia się ich metabolizm. Co więcej, osłabienie napięcia membranowego w mitochondriach, które zasilają komórki, wydaje się odgrywać rolę w procesie starzenia się.
Kolejną ciekawostką jest to, że bioelektryczność jest związana z chorobami autoimmunologicznymi, w tym z cukrzycą typu 1 i reumatoidalnym zapaleniem stawów, ze względu na sposób, w jaki nerwy łączą się z naszymi organami wewnętrznymi. Amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia finansują badania mające na celu stworzenie mapy tej sieci neuronów, aby dowiedzieć się, czy dostosowanie sygnałów, które one przenoszą, może pomóc we wszystkim, od szumów usznych po uzależnienie od opioidów. Korzyści dla ludzkiego zdrowia będą się mnożyć w miarę jak będziemy rozszerzać badania nad elektromem.
Ze swojej strony Adams bada ratujący życie potencjał barwnika raportującego napięcie, który jako pierwszy pozwolił jej obserwować kijanki nabierające kształtu. Odkrycie Cherneta, że może on wskazać komórki rakowe, oznacza, że chirurdzy usuwający guz mogliby używać barwnika, aby upewnić się, że wycięli całą złośliwą tkankę. Obecnie około 10 procent operacji pozostawia za sobą komórki rakowe, a ich wykrycie zajmuje zwykle ponad tydzień. Wykrycie pozostałości przed zamknięciem rany mogłoby zmienić bieg wydarzeń. Adams stara się, by stało się to rzeczywistością kliniczną. Jeśli się uda, przewiduje ona również wykorzystanie barwnika jako systemu wczesnego ostrzegania przed rakiem skóry, gdzie szybkie i tanie odróżnienie łagodnych narośli od złośliwych mogłoby uratować wiele istnień ludzkich.
Krytykuj przyjaciela w cztery oczy, a chwal zawsze przy swiadkach i podwladnych. Leonardo da Vinci & Tm.
Ten post jest pełen inspirujących cytatów! Czy możesz podzielić się, jakie książki, artyści lub inne źródła kultury są dla Ciebie najbardziej inspirujące i wpływowe w kontekście tworzenia treści?