Американские исследователи воздействовали на электрические импульсы клеток и научились выращивать новые органы. Даже третий глаз! Пока у лягушек и головастиков, но это только начало

Автор:
Антон Семиженко
Редактор:
Дмитрий Раевский
Дата:
Американские исследователи воздействовали на электрические импульсы клеток и научились выращивать новые органы. Даже третий глаз! Пока у лягушек и головастиков, но это только начало

Екатерина Бандус

В начале 2000-х годов группа ученых из США предположили, что от электрических импульсов, которыми обмениваются клетки живых организмов, может зависеть их рост и развитие. После многих лет исследований этого биологического «языка программирования» ученым удалось вырастить головастикам функциональные глаза на животе, а взрослым лягушкам — дополнительные лапки. Все это происходило без вмешательства в ДНК животных. Ученые предполагают, что в будущем работа с биоэлектричеством позволит быстрее лечить травмы и даже восстанавливать утраченные части тела. Или создавать новые «биологические механизмы» с конечностями и глазами в произвольных местах. Коротко о ходе и промежуточных результатах многолетнего исследования — в материале «Бабеля».

Когда гусеница превращается в бабочку, в ее организме происходят основательные изменения. Даже ее мозг на этапе куколки полностью растворяется, сливаясь с остальной жидкостью. Но уже доказано, что бабочка сохраняет знания, полученные когда-то гусеницей. Как они хранятся? И как жидкость в куколке решает, какая ее часть станет головой, какая крыльями, а какая — лапками?

Это один из многочисленных вопросов, над которыми размышляют биологи, в частности те, которые занимаются темой регенерации. Вот примеры других вопросов:

  • Почему олени отращивают сломанные рога — еще и так быстро, порой по полтора сантиметра в сутки?
  • Почему если к ампутированной лапке ящерицы приживить хвост, на его основе вырастет лапка? Какой орган принимает решение о регенерации в случаях оленя и ящерицы?
  • Почему у людей в возрасте до 11 лет могут отрасти отсеченные крайние фаланги пальцев? Почему наша печень после повреждений способна активно восстанавливаться, а другие органы — нет?
  • Аксолотль — вид саламандр — может восстанавливать свои конечности, глаза, челюсти, мышцы, части мозга, сердца и позвоночника. Что управляет такими изменениями и когда пальцы или челюсти «понимают», что они уже полноценные и дальше можно не расти?
  • Способность к восстановлению некоторых менее развитых животных впечатляет. Например, существуют планарии — плоские черви длиной до двух сантиметров. Если отрезать от них голову или хвост или вовсе измельчить на 275 частиц, каждая из них восстановится до полноценной особи — с головой и хвостом. Этим процессом явно управляет не мозг: его в тех частицах просто нет. Но что тогда?

Аксолотль (Axolotes guttata).

gettyimages.com

Над этими вопросами задумался и американский биолог Майкл Левин — еще в начале 2000-х годов. Кроме образования биолога, он имел еще одно — программиста. Для решения выше перечисленных вопросов ему понадобились оба. А также сотни опытов с планариями, головастиками и лягушками.

Широко известно, что нейронынервные клеткипередают информацию через электрические импульсы. Однако такими же импульсами обмениваются все клетки — нейроны просто делают это быстрее. Каждая живая клетка имеет необходимые для обмена разрядами ионные каналы и электрические синапсы. Так клетки коммуницировали в течение миллионов лет. «Почему некоторые грибы могут вызвать у нас галлюцинации? Потому что у них обмен информацией между клетками работает так же, как и у нас, и они могут взаимодействовать с человеческим организмом, — говорит Левин. — Хотя они даже не животные, в основе некоторых процессов лежат схожие принципы».

Лаборатория Левина начала отслеживать электрические сигналы, которыми обмениваются между собой клетки в организме. Вот, например, как с помощью электричества общаются клетки в эмбрионе головастика:

TED / Youtube

В ходе дальнейшего развития эмбриона стало видно, что там, где наблюдалось повышенное количество электрических импульсов, вскоре появились глаза и рот. Левин предположил, что эти импульсы — своеобразный язык программирования, который определяет будущие события в организме.

Что известно о Майкле Левине и его лаборатории

  • Майкл Левин родился в 1969 году в Москве в еврейской семье. Отец тогда еще Михаила работал программистом в метеорологической службе, мать была пианисткой. В 1978-м семья уехала в США и поселилась в штате Массачусетс. Там, в Бостонском университете Тафтса, известного своим медицинским департаментом, Майкл получил высшее образование, а научные степени — в Гарвардском университете.

  • Еще в 1997 году Левин получил награду за исследования сознания, после этого его отмечали за исследования асимметричности организмов, стволовых клеток и за общие достижения в биологии развития. Сейчас Левин — почетный профессор университета Тафтса, а также соредактор научных журналов «Коллективный интеллект», «Биоэлектричество» и «Латеральность: асимметрия тела, мозга и сознания».

  • В 2000 году Левин основал лабораторию по исследованию биоэлектрических сигналов, которыми обмениваются клетки. Его с коллегами интересовало развитие организмов, их способность к регенерации, а главное — как запускаются и координируются механизмы восстановления тканей или органов. На сегодня сотрудники лаборатории опубликовали 324 научные работы, каждую из которых перед публикацией проверили коллеги из конкурирующих учреждений.

  • Лаборатория Левина также известна благодаря разработке ксеноботов — микророботов, созданных из клеток кожи, сердца и стволовых клеток эмбриона африканской колючей лягушки Xenopus Laevis. Эти похожие на горошины биомашины шириной в один миллиметр могут реагировать на раздражители и автономно двигаться. «Загруженные» в них биоэлектрические паттерны позволяют использовать ксеноботов для доставки лекарств внутри организма человека, для очистки территорий от радиоактивных отходов или сбора микропластика в Мировом океане.

Для проверки теории ученые создали так называемого «головастика Пикассо» — глаза у него были внизу, челюсти сбоку, мозг сзади. Но когда головастик превращался в лягушку, все в нем становилось на свои места. Как будто каждый орган «знал», где он должен быть. Этот процесс сопровождался активизацией соответствующих электрических импульсов.

Лаборатория продолжила опытыуже с планариями. Если отрезать от планарии хвост и голову, центральная часть предсказуемо вырастит новые. При этом «картина» электрических разрядов в организме будет соответствующей: в «хвостовой» части — сигналы одного типа, в месте, где вырастет голова, — другого. Левин с подчиненными попытались изменить сигналы в хвосте на такие же, какие были в «головной» части. В результате у них выросла планария с двумя головами. Вполне жизнеспособная — глаза видели, головы двигались автономно:

TED / Youtube

«Мы не «собирали» глаза по молекулам. Получается, что электрическими импульсами мы просто задали организму определенный вектор развития — а дальше он все сделал сам», — комментирует Левин.

К организмам не подсоединяли электроды, их не поддавали воздействию электрических полей — вмешательство было медикаментозным. Препарат на уровне молекул по заданной схеме «включал» или «выключал» протеины, ответственные за передачу электрических сигналов. Другой способ воздействия — с помощью света. Особенно эффективным он оказался в опытах с головастиками и лягушками.

У одного из головастиков с помощью биоэлектрической стимуляции удалось вырастить в районе живота третий глаз. Он имел зрительный нерв, роговицу, сетчатку — и полноценно видел. В другого головастика вживили опухоль, а потом стимулировали дезактивацию ее клеток — рак был обезврежен. У третьего головастика обнаружили ошибку в гене, который отвечал за умственное развитие: его головной мозг практически отсутствовал. Ученые сымитировали электрические сигналы, присущие здоровому головастику — и в результате у больного сформировался полноценный мозг, а его IQ (есть специальные тесты на уровень интеллекта для головастиков!) оказался в пределах нормы.

Опыты продолжили со взрослыми лягушками. Например, одной ампутировали лапку — обычно после этого рана рубцуется и лапка не отрастает. Но в лаборатории на оставшуюся часть лапки наложили электрический паттерн, характерный для полноценных лапок, — и организм начал регенерировать конечность. Через 45 суток выросла новая лапка, которая могла двигаться и реагировала на раздражители.

Другой лягушке таким же образом вырастили пять лапок. «Правильно подобрав биоэлектрические паттерны, можно вырастить лягушке хоть глаза на спине, — уверяет Левин. — И они будут абсолютно полноценно видеть». Причем происходит это без какого-либо вмешательства в ДНК.

ДНК, по словам Левина, является «аппаратной» частью организма. Она влияет на то, какие клетки какими каналами коммуникации будут пользоваться. А вот сама эта коммуникация происходит с помощью электрических импульсов — заданная механизмами, которые существовали еще до развития сложных нервных систем. И сейчас у живых организмов, включая растения, биоэлектричество в значительной мере отвечает за физическое развитие и структуру. Иными словами, ДНК — это материнская плата, а электрическая сеть — программное обеспечение.

Майкл Левин в лаборатории.

Wikimedia

На описанные выше исследования и эксперименты команда Левина потратила более 15 лет. Лишь год назад научные и популярные издания начали активно писать о наработках команды — после того как ученым удалось вырастить дополнительные лапки у лягушек и создать двуглавого червя. Сам же Левин надеется, что когда-нибудь разработки в области биоэлектричества позволят нейтрализовать у людей раковые опухоли, быстрее лечить травмы, исправлять дефекты при рождении, стимулировать регенерацию конечностей и других органов. «Большинство проблем медицины сводятся к одной: клетки не делают то, чего мы от них хотим, — говорит Левин. — Если бы мы понимали, как работает биоэлектрическая коммуникация, и могли влиять на нее, мы бы исправили этот недостаток».

Однако с этим подходом можно достичь даже большего. В команде ученого мечтают, что со временем удастся создать программу, в которой можно будет комбинировать органы и части тела, создавая новые биологические механизмы. Подобно тому, как сейчас архитекторы моделируют будущие здания. То, что это возможно, доказывают опыты с планариями. У ученых получилось сделать из плоских червей выпуклых с шипами, конусообразных и похожих на шляпу.

Потенциальные возможности новых разработок вызывают немало этических вопросов. Впрочем, по словам Левина, сейчас проводят и более спорные в этическом плане эксперименты — например, редактируют генетический код. Ученый избегает прямых ответов на вопросы о том, как видоизмененные сложные организмы могут чувствовать себя физически и эмоционально. Но уверяет, что на протяжении всех лет опытов его команда пыталась вмешиваться в организмы на минимально необходимом для качественных анатомических изменений уровне. «Еще в начале 2000-х ученые говорили нам, что электрические заряды обеспечивают саму жизнедеятельность клетки, и изменив их, мы вызовем смерть этих клеток, — говорит Левин. — Этого не произошло. Наверное, потому что эти заряды больше касаются поведения клеток в будущем — в случае каких-либо травм или трансформаций, а не их функционирования здесь и сейчас».