Belangrijk wetenschappelijk nieuws: biologen van Tufts University (VS) slaagden erin om het vermogen om het staartweefsel in kikkervisjes te regenereren te herstellen.
Dergelijk werk zou als gewoon kunnen worden beschouwd, zo niet voor één omstandigheid: het resultaat werd bereikt op een niet-triviale manier, met behulp van optogenetica, die is gebaseerd op de controle van celactiviteit met behulp van licht.
Het uiteindelijke doel van al dergelijke onderzoeken is om de natuurlijke mechanismen te ontdekken die het herstel van lichaamsdelen regelen en om te leren hoe ze deze bij mensen kunnen aanzetten. Kikkervisjes zijn perfect voor deze taak, omdat ze in een vroeg stadium van ontwikkeling het vermogen behouden om verloren ledematen te vervangen, maar dan verliezen ze het plotseling. Als je de staart afsnijdt van individuen die de zogenaamde refractaire periode zijn binnengegaan, kunnen ze deze niet meer teruggroeien.
Interne systemen die regeneratie regelen, zijn nog steeds aanwezig in hun lichaam, maar om de een of andere reden worden ze gestopt. Michael Levin en zijn collega's lieten hen weer aan het werk, waardoor de fysiologische tijd effectief werd teruggedraaid.
De manier waarop ze het deden is geweldig. Een groep staartloze kikkervisjes werd twee dagen grootgebracht in een bak die werd verlicht met korte lichtflitsen; de andere leefde in volledige duisternis. Als gevolg hiervan herstelden de kikkervisjes van de eerste groep volwaardig staartweefsel, inclusief de structuren van de wervelkolom, spieren, zenuwuiteinden en huid. De tweede kikkervisjes konden de gevolgen van amputatie niet overwinnen, zoals het zou moeten zijn op hun leeftijd.
Als het klinkt als een truc, is het maar ten dele. Om te begrijpen waarom dit is gebeurd, moet u het principe van het experiment uitleggen. Alle dieren in hetzelfde stadium van de levenscyclus werden inderdaad aan identieke manipulaties onderworpen. Het enige dat de twee groepen onderscheidde, was de aan- of afwezigheid van verlichting. Licht was echter niet de echte oorzaak van de verandering. Het diende als een afstandsschakelaar en activeerde een factor die (niet helemaal duidelijk) het regeneratieproces op gang bracht. Deze factor was de hyperpolarisatie van de transmembraanpotentialen van cellen; of, eenvoudiger, bio-elektriciteit.
Optogenetics maakt het relatief eenvoudig om een experiment te ontwerpen. De mRNA-moleculen van het lichtgevoelige eiwit archerhodopsin werden in kikkervisjes geïnjecteerd. Dit leidde ertoe dat na een tijdje op het oppervlak van gewone cellen in de dikte van het weefsel "pomproteïnen" verschenen. Onder de voorwaarde van stimulatie met licht (en alleen in dit geval), veroorzaakten ze de stroom van ionen door het membraan, waardoor het elektrische potentieel ervan veranderde.
In feite hebben wetenschappers, afgezien van door licht geactiveerde membraanpompen, niets aangeboden om kikkervisjes te helpen. Slechts één effect op de elektrische eigenschappen van cellen was echter voldoende om een complexe cascade van regeneratieprocessen in het lichaam op gang te brengen. Dankzij optogenetica is het op zijn beurt net zo eenvoudig als peren schillen om deze veranderingen van buitenaf te veroorzaken, je hoeft alleen maar licht op het kikkervisje te laten schijnen.
Promotie video:
Regeneratie blijft een van de belangrijkste mysteries van de biologie. In 2005 plaatste het tijdschrift Science de volgende vraag onder de 25 belangrijkste problemen waarmee de wetenschap te maken heeft: Wat controleert orgaanregeneratie? Helaas hebben wetenschappers nog niet volledig kunnen begrijpen waarom sommige dieren in elk stadium van hun leven vrijelijk de verloren delen van het lichaam herstellen, terwijl anderen dit vermogen voor altijd verliezen. Ooit wist je lichaam hoe je een oog of een arm moest laten groeien.
Het is lang geleden, aan het prille begin van het leven als embryo. Deskundigen zijn geïnteresseerd in waar deze kennis verdwijnt en of het mogelijk is om deze bij een volwassene weer te doen herleven. Momenteel is de zoektocht voor de meeste biologen vooral gericht op de expressie van genen of chemische signalen. In het laboratorium van Michael Levin hopen ze het antwoord op het raadsel van regeneratie te vinden in een ander fenomeen, bio-elektriciteit, en deze hoop is blijkbaar niet ongegrond.
Het feit dat elektrische stromen aanwezig zijn in een levend organisme is bekend sinds de tijd van Galvani's experimenten. Er zijn er echter maar weinigen die hun impact op ontwikkeling zo nauwkeurig hebben bestudeerd als Lewin. Bio-elektriciteit heeft lang de kans gehad om een waardig onderwerp van experimenten te worden, maar de moleculaire revolutie in de biologie in de tweede helft van de 20e eeuw heeft de onderzoeksinteresse in deze kwestie naar de marge van de wetenschap geduwd.
Levin, afkomstig uit het veld van computermodellering en genetica, met behulp van de modernste methoden die bij zijn voorgangers ontbraken, keert in feite deze richting terug naar de biologische hoofdstroom. Zijn enthousiasme is gebaseerd op de overtuiging dat elektriciteit een fundamenteel fysisch fenomeen is, en dat evolutie het niet anders kon dan gebruiken in fundamentele processen zoals de ontwikkeling van het organisme.
Door het transmembraanpotentieel van cellen te veranderen, kan de wetenschapper de weefsels van het kikkervisje instrueren om een oog te laten groeien in een vooraf bepaald gebied van het lichaam. Aan de muur van zijn laboratorium hangt een foto van een zespotige kikker. Ze had extra ledematen, uitsluitend als gevolg van blootstelling aan elektrische biocurrenten. In tegenstelling tot neuronen zijn gewone cellen niet in staat om te vuren, maar ze kunnen wel consequent signalen door het lichaam verzenden via gap junctions. Als bij een planarian, een kleine worm die kan regenereren, de staart wordt afgesneden, wordt er vanuit het snijgebied een verzoek naar de kop gestuurd om te controleren of deze op zijn plaats zit. Blokkeer de overdracht van deze informatie en er zal een kop groeien in plaats van de beoogde staart.
Door verschillende ionenkanalen te manipuleren die de elektrische eigenschappen van cellen bepalen, produceerden wetenschappers in hun experimenten wormen met twee koppen, twee staarten en zelfs wormen met een ongewoon ontwerp met vier koppen. Volgens Levin kreeg hij bijna altijd te horen dat zijn ideeën niet zouden moeten werken. Hij vertrouwde op zijn intuïtie, en in de meeste gevallen faalde het niet.
Van deze pogingen is het nog ver verwijderd van volledige kennis van het herstellen van een ledemaat in een persoon. Terwijl mensen met een handicap alleen kunnen rekenen op de verbetering van prothesen. Het unieke laboratorium aan de Tufts University is echter op zoek naar iets dat nog fundamenteler is: net als de genetische code, gelooft Levin, moet er een bio-elektrische code zijn die gradiënten en dynamiek van membraanspanning verbindt met anatomische structuren.
Als je het eenmaal hebt begrepen, is het niet alleen mogelijk om de regeneratie te beheersen, maar ook om de groei van tumoren te beïnvloeden. Levin ziet ze als een gevolg van het verlies van informatie over de vorm van het organisme door cellen, en het bestuderen van het probleem van kanker behoort tot de taken van zijn laboratorium. Zoals vaak het geval is, kunnen ogenschijnlijk verschillende processen één karakter hebben.
Als de bio-elektrische code echt achter de constructie van verschillende organen van het lichaam zit, zou de oplossing ervan licht kunnen werpen op twee van de belangrijkste problemen waarmee de mensheid tegelijkertijd wordt geconfronteerd.
