اینبار پای ستاره دریایی درمیان است. پایه و اساس حیات با یک سلول متحرک آغاز میشود. سلولها در پاسخ به سیگنالهای بیوشیمیایی، منقبض، تغییر شکل و تقسیم میشوند و در نهایت به موجودات زنده پیچیده تبدیل میشوند. اکنون، محققان MIT راهی برای دستکاری این حرکات سلولی اولیه با استفاده از نور کشف کردهاند که ابزاری جدید برای کنترل شکل و حرکت سلول با دقت قابل توجه ارائه میدهد.
این مطالعه به طور خاص به سلولهای تخم ستاره دریایی میپردازد که به عنوان یک ارگانیسم مدل برای مطالعه رفتار و توسعه سلول مورد استفاده قرار میگیرند. این تیم توانست حرکات سلولی مانند انقباضات، انقباضات و حتی تبدیل شکل از دایره به مربع را هدایت کند. این کار با اصلاح ژنتیکی سلول برای داشتن یک آنزیم حساس به نور و استفاده از الگوهای متمرکز نور برای تحریک فعالیتهای سلولی انجام شد.
نیکتا فخری، نویسنده ارشد این مطالعه و دانشیار فیزیک در MIT، میگوید: “با آشکار کردن اینکه چگونه یک سوئیچ فعال شده توسط نور میتواند سلولها را در زمان واقعی تغییر شکل دهد، ما در حال کشف اصول اولیه طراحی برای چگونگی خودسازماندهی و تکامل شکل سیستمهای زنده هستیم. قدرت این ابزارها این است که ما را در رمزگشایی تمام این فرآیندهای رشد و نمو راهنمایی میکنند تا به ما در درک چگونگی انجام آن توسط طبیعت کمک کنند.”
شکستن کد حرکت سلولی در ستاره دریایی
فخری میگوید: “ستاره دریایی یک سیستم جذاب است. زیرا با یک سلول متقارن شروع میشود و در مراحل اولیه به یک لارو متقارن دو طرفه تبدیل میشود و سپس به تقارن پنج ضلعی بالغ تبدیل میشود. بنابراین تمام این فرآیندهای سیگنالینگ در طول مسیر اتفاق میافتند تا به سلول بگویند که چگونه باید سازماندهی شود.”
این تحقیق بر اساس پیشرفتهای قبلی در درک معماری یک سلول و مدار مولکولی که حرکات آن را کنترل میکند، بنا شده است.
در این مورد، آنزیمی به نام GEF از همه مهمتر است و معمولاً در سیتوپلاسم سلول یافت میشود. وقتی GEF فعال است، پروتئینی به نام Rho را فعال میکند که به غشای سلولی میل ترکیبی دارد. پروتئین Rho در توسعه فیبرهای شبه ماهیچهای که بسیار کوچک هستند، شرکت میکند. این فیبرها منقبض میشوند و به سلول اجازه میدهند شکل و موقعیت خود را تغییر دهد.
افزایش غلظت GEF در داخل سلول منجر به افزایش انقباضات شد و بنابراین این سوال را مطرح کرد که آیا میتوان با استفاده از این مدار مولکولی، نحوه و زمان حرکت سلول را مستقیماً کنترل کرد یا خیر.
فخری میگوید: “این ایده ما را به این فکر انداخت که آیا هک کردن این مدار امکانپذیر است، نه تنها برای تغییر الگوی حرکات سلول، بلکه برای دستیابی به یک پاسخ مکانیکی مطلوب.”
کاربردهای زیستپزشکی آینده
یکی از یافتههای بهویژه شگفتانگیز، کشف «آستانه تحریکپذیری» در سیستم پاسخ سلول بود. محققان مشاهده کردند که اعمال نور به یک نقطه واحد روی سلول، اگر غلظت آنزیم به اندازه کافی بالا باشد، میتواند انقباضات فراگیر و کامل سلول را تحریک کند.
فخری میگوید: “ما متوجه شدیم که این مدار Rho-GEF یک سیستم تحریکپذیر است، جایی که یک محرک کوچک و بهموقع میتواند یک پاسخ بزرگ همه یا هیچ را ایجاد کند. بنابراین میتوانیم کل سلول یا فقط یک مکان کوچک روی سلول را روشن کنیم، به طوری که آنزیم کافی به آن ناحیه جذب شود تا سیستم برای انقباض یا انقباض خود به خودی شروع به کار کند.”
برای پیشبینی چگونگی واکنش سلولها به الگوهای نوری مختلف، این تیم یک چارچوب نظری ایجاد کرد که بازسازی سلولی را بر اساس تحریک نوری ترسیم میکند. این چیزی بیش از یک مدل است؛ این مدل درک بهتری از پدیدههای بیولوژیکی اساسی مانند رشد جنین و بهبودی ارائه میدهد.
او در پایان میگوید: “این کار ( آزمایش روی ستاره دریایی)طرحی برای طراحی سلولهای مصنوعی «قابل برنامهریزی» ارائه میدهد و به محققان اجازه میدهد تغییرات شکل را به دلخواه برای کاربردهای زیستپزشکی آینده هماهنگ کنند.”