Komórki w labiryncie

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Komórki mogą odbywać niewiarygodne podróże – niekiedy przemierzając nawet całe ciało. Nawigują dzięki chemotaksji: drogę do obszaru docelowego wyznacza im zmieniające się stężenie określonych substancji chemicznych. Ten rodzaj gradientu nie może jednak oddziaływać na dużych odległościach bez ograniczeń, więc naukowcy zastanawiali się, co prowadzi komórki podczas dłuższej podróży przez chemiczne wzgórza i doliny. Zrozumienie tego procesu może okazać się pomocne w przewidywaniu rozprzestrzeniania się nowotworu w organizmie lub wyjaśnieniu, w jaki sposób komórki docierają do właściwych miejsc w rozwijającym się zarodku.

Ostatnio na łamach „Science” (2020) ukazał się opis badań, w których naukowcy wykorzystali miniaturowe labirynty, aby zilustrować, jak dwa rodzaje organizmów – występujące w glebie ameby oraz mysie komórki rakowe – radzą sobie z tymi, wydawałoby się, niemożliwymi podróżami. Zamiast korzystać z obecnego na całej trasie gradientu, komórki same go tworzą: napotykając substancję chemiczną, za którą podążają, rozkładają ją tak, że za nimi pozostaje jej mniej niż przed nimi. Przypomina to zwijanie sznurka prowadzącego do wyjścia z labiryntu lub Pac-Mana poruszającego się po zjadanych kropkach – uboższa chemicznie ścieżka, którą komórki zostawiają za sobą, sprawia, że podążają za przewodnikiem znajdującym się przed nimi.

Wprawdzie naukowcy wiedzieli już wcześniej, że niektóre komórki mogą generować własne gradienty podczas ruchu, ale nie uświadamiali sobie, jak skuteczna może być ta strategia podczas długich wędrówek przez całe ciało. Nowe badania pokazują, że zarówno linie komórek nowotworowych ssaków, jak i ameby mogą wykorzystywać ten proces do podróżowania w labiryncie, co sugeruje, że może to być kluczowa taktyka dla komórek pokonujących duże odległości.

Luke Tweedy i jego współpracownicy z Beatson Institute for Cancer Research w Glasgow doszli do wniosku, że podążanie krętą ścieżką przez zawiłą topografię organizmu może przypominać przemierzanie prawdziwego labiryntu. Do badań tego komórkowego szukania drogi wybrali amebę Dictyostelium discoideum (w skrócie Dicty) i mysie komórki raka trzustki. Komórki Dicty znane są z dalekosiężnej nawigacji z użyciem gradientów chemicznych i mogą być – jak ujął to Tweedy – „cudownymi dziećmi chemotaksji”.

Dicty sprostała swojej reputacji, potrzebując zaledwie godziny na pokonanie wypełnionego chemoatraktantami, skomplikowanego labiryntu, podczas gdy komórkom rakowym zajęło to kilka dni. Ale ostatecznie oba organizmy osiągnęły cel. Uczeni przetestowali komórki w kilku labiryntach, których część miała krótsze lub dłuższe ślepe korytarze i różne rozwidlenia. Gdy komórki stawały przed wyborem między ślepą uliczką a właściwą ścieżką, kilka z nich usuwało wszystkie chemoatraktanty uwięzione w ślepym zaułku. Wtedy pozostałe zmierzały w drugą odnogę, gdzie nadal znajdowały się nęcące je cząsteczki.

Zastosowanie tej taktyki przez oba typy komórek wskazuje na podobieństwo między komórkami uczestniczącymi w takich długodystansowych biegach na orientację. Wynik „jest naprawdę interesujący i pokazuje, że gradienty samogenerowane są uniwersalnym mechanizmem sterowania kierunkową migracją grup komórek na duże odległości” – uważa Pablo Sáez, biochemik z University Medical Center Hamburg-Eppendorf w Niemczech, który nie uczestniczył w badaniach. Dodaje też, że wyniki podkreślają przydatność niektórych z zastosowanych technik, takich jak wykorzystanie modelowania matematycznego do przewidywania, jak mogą zachowywać się komórki, oraz do testowania tych zachowań w labiryntach.

Jeden z niezwykłych testów wzorowany był na słynnym żywopłotowym labiryncie ogrodowym znajdującym się koło Pałacu Hampton Court pod Londynem. Zdecydowaliśmy się na to – wyjaśnia Tweedy – „dla zabawy i dla pobudzenia wyobraźni”. Dicty, cudowny protista, nie tylko przeszedł ten labirynt, ale także udało mu się wykorzystać samogenerowanie gradientu do znalezienia skrótu.

„Moim zdaniem projekt z labiryntami jest rzeczywiście sprytny – mówi Denise Montell, biolożka molekularna i komórkowa z University of California w Santa Barbara. – To bardzo dobre narzędzie do badań sposobów podejmowania decyzji przez komórki, choć nie sądzę, aby miały one do czynienia z labiryntami w naturze”. Badaczka sugeruje także możliwość wykorzystywania przez komórki innych mechanizmów, umożliwiających im przemieszczanie się na duże odległości: na przykład podążanie za poruszającym się źródłem sygnałów chemicznych. Metody badawcze wykorzystane w tym eksperymentalnym projekcie mogą być dostosowane do badania zachowania się innych komórek migrujących w ludzkim ciele – na przykład aktywności komórek odpornościowych lub patologicznych podróży przerzutowych komórek nowotworowych, bowiem, jak twierdzi Tweedy: „wykorzystują one ten sam podstawowy mechanizm migracji, czyli ich receptory wykrywają atraktanty i kierują cytoszkieletem poruszającym komórką”. Podobieństwa te są tak uderzające, że Tweedy dostrzega możliwość wykorzystania wiedzy o odnajdywaniu szlaków przez ameby do lepszego zrozumienia zachowania się ludzkich komórek. Na przykład znajomość sposobów pokonywania przez nie labiryntów może pomóc przewidywać przemieszczanie się nowotworu glejaka w mózgu.

Zdaniem Montella dokonane odkrycia mogą także ułatwić zrozumienie zachowania się specyficznych wędrujących komórek znajdujących się w zarodkach. Niektóre z nich, zwane melanocytami, rozchodzą się w zarodku i nadają skórze kolor, wytwarzając melaninę. W późniejszym okresie życia mogą być także źródłem czerniaka i równie sprawnie poszukiwać drogi, by tworzyć przerzuty. To, że komórki mogą osiągnąć oba te rezultaty dzięki generowanym przez nie gradientom, „jest bardzo interesującą koncepcją, zapewne istotną, choć nieoczywistą” – uważa Montell.

Wyniki badań umożliwiają też rzadko spotykane podejście do wczesnych procesów zachodzących w embrionach ssaków. Jeden z przykładów dotyczy komórek rozrodczych, które ostatecznie osiedlają się w gonadach, ale początkowo, na wczesnym etapie rozwoju zarodka, są daleko od tego celu. Muszą więc pokonać embrionalne wzgórza i doliny, aby dotrzeć do odpowiedniego miejsca.

Jeśli zachowanie Dicty i znacznie wolniejszych komórek raka trzustki jest rzeczywiście uniwersalne, to komórki rozrodcze mogą stosować podobną taktykę, aby znaleźć przyszłe gonady i uniknąć zwrotu w kierunku, powiedzmy, jelit. Być może więc, tworząc złożone organizmy, komórki trafiają tam, dokąd zmierzają, tylko dzięki wytyczaniu sobie własnej ścieżki.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.