Важлива наукова новина: біологам з Університету Тафтса (США) вдалося відновити здатність до регенерації хвостової тканини у пуголовків. Така робота могла б вважатися пересічною, якби не одна обставина: результат досягнуто нетривіальним способом, із застосуванням оптогенетики, в основі якої лежить управління активністю клітин за допомогою світла.
Кінцева мета всіх подібних досліджень - виявити природні механізми, що контролюють відновлення частин тіла, і навчитися включати їх у людини. Пуголовки для даного завдання підходять якнайкраще, оскільки на ранньому етапі розвитку зберігають здатність замінювати втрачені кінцівки, але потім різко її втрачають. Якщо відрізати хвіст у особин, що вступили в так званий рефракторний період, вони вже не зможуть відростити його заново. Внутрішні системи, що керують регенерацією, як і раніше присутні в їх організмі, але з якихось причин зупинені. Майкл Левін (Michael Levin) з колегами змусили їх заробити знову, фактично повернувши фізіологічний час назад.
Чудово те, як вони це зробили. Одна група головастиків, позбавлених хвоста, вирощувалася в ємності, що висвітлювалася короткими спалахами світла протягом двох днів; інша - жила в повній темряві. В результаті у пуголовків першої групи відновилася повноцінна хвостова тканина, включаючи структури хребта, м'язів, нервових закінчень і шкіри. Головастики другої подолати наслідки ампутації не змогли, як і належить у їхньому віці. Якщо це схоже на фокус, то лише частково. Щоб розібратися, чому так сталося, потрібно пояснити принцип, що лежить в основі експерименту. Дійсно, всіх тварин, які перебувають на одній стадії життєвого циклу, піддали ідентичним маніпуляціям. Єдине, що відрізняло дві групи, - наявність або відсутність освітлення. Однак світло не було справжньою причиною змін. Він служив дистанційним перемикачем, що приводив в дію фактор, який (не зовсім зрозумілим чином) запускав процес регенерації. Як такий фактор виступала гіперполяризація трансмембранних потенціалів клітин; або простіше - біоелектрика. Оптогенетика дозволяє побудувати експеримент порівняно просто. Молекули мРНК світлочутливого білка архерходопсина ін'єкцією вводилися в пуголовків. Це призвело до того, що через деякий час на поверхні звичайних клітин, що знаходяться в товщі тканини, з'явилися «білки-насоси». За умови стимуляції світлом (і тільки в цьому випадку) вони індукували струм іонів через мембрану, змінюючи тим самим її електричний потенціал. По суті, крім мембранних насосів, що активуються світлом, вчені на допомогу головастикам нічого не запропонували. Однак одного лише впливу на електричні властивості клітин виявилося достатньо, щоб запустити в організмі складний каскад регенераційних процесів. У свою чергу, завдяки оптогенетиці викликати ці зміни ззовні простіше простого, потрібно лише посвітити на пуголовка. Регенерація залишається однією з головних загадок біології. У 2005 році журнал Science включив до числа 25 найважливіших проблем, що стоять перед наукою, наступне питання:На жаль, вченим поки не вдається до кінця розібратися, чому одні тварини на будь-якому етапі свого життя вільно відновлюють втрачені частини тіла, тоді як інші втрачають цю здатність назавжди. Колись ваш організм знав, як виростити око або руку. Це було давно, на самому початку життя в якості ембріона. Фахівців цікавить, куди пропадає це знання і чи можна відродити його знову у дорослої людини. Зараз пошуки більшості біологів зосереджені в основному навколо експресії генів або хімічних сигналів. У лабораторії Майкла Левіна відповідь на загадку регенерації сподіваються виявити в іншому феномені, біоелектриці, і ці надії, судячи з усього, не позбавлені підстав. Те, що в живому організмі присутні електричні струми, відомо з часів дослідів Гальвані. Однак мало хто вивчав їх вплив на розвиток так пильно, як це робить Левін. Біоелектрика давно мала шанс стати гідною темою експериментів, але молекулярна революція в біології другої половини ХХ століття витіснила дослідницький інтерес до цього питання на периферію науки. Левін, прийшовши зі сфери комп'ютерного моделювання і генетики, залучаючи до роботи найсучасніші методи, відсутні у попередників, фактично повертає цей напрямок в біологічний мейнстрім. В основі його ентузіазму лежить переконання, що електрика являє собою базове фізичне явище, і еволюція не могла не задіяти її у фундаментальних процесах, таких як розвиток організму. Змінюючи трансмембранний потенціал клітин, вчений може дати команду тканинам пуголовка виростити око в заздалегідь визначеній ділянці тіла. На стіні його лабораторії висить фотографія шестиногої жаби. Додаткові кінцівки з'явилися у неї виключно внаслідок впливу на електричні біотоки.На відміну від нейронів, звичайні клітини не здатні збуджуватися, але можуть послідовно передавати сигнали практично по всьому організму через щілинні контакти. Якщо у планарії, крихітного хробака, який вміє регенерувати, відрізати хвостову частину, з області надрізу піде запит до голови, щоб переконатися, що вона на місці. Блокуйте передачу цієї інформації, і замість належного хвоста виросте голова.
Маніпулюючи різними іонними каналами, що визначають електричні властивості клітин, вчені в своїх експериментах отримували хробаків з двома головами, двома хвостами і навіть хробаком незвичайної конструкції з чотирма головами. За словами Левіна, майже завжди йому говорили, що його ідеї не повинні спрацювати. Він покладався на свою інтуїцію, і в більшості випадків вона не підводила. Від цих спроб ще дуже далеко до повноцінного знання, як відновити кінцівку у людини. Поки інваліди можуть розраховувати лише на вдосконалення протезів. Однак в унікальній лабораторії Університету Тафтса шукають щось навіть більш фундаментальне: подібно до генетичного коду, вважає Левін, повинен існувати біоелектричний код, що пов'язує градієнти і динаміку напруги мембран з анатомічними структурами. Розібравшись у ньому, можна буде не тільки керувати регенерацією, а й впливати на зростання пухлин. Левін розглядає їх як наслідок втрати клітинами інформації про форму організму, і дослідження проблеми раку входить до числа завдань його лабораторії. Як це нерідко буває, різні з виду процеси можуть мати єдину природу. Якщо біоелектричний код дійсно стоїть за побудовою різних органів тіла, його розгадка може пролити світло відразу на дві найважливіші проблеми, що стоять перед человечеством.slon.ru