Vědci z MIT upravili buňky hvězdice k proměnlivosti tvaru pomocí světla

Život nabývá tvaru prostřednictvím pohybu jediné buňky. V reakci na signály z určitých proteinů a enzymů se buňka může začít pohybovat a třást, což vede ke kontrakcím, které způsobují její stlačování, stahování a nakonec dělení. Jak dceřiné buňky pokračují v linii generací, rostou, diferencují se a nakonec se uspořádají do plně vytvořeného organismu.

Vědci z MIT nyní použili světlo k ovládání toho, jak se jednotlivé buňky chvějí a pohybují v nejranější fázi svého vývoje. Tým studoval pohyb vajíček produkovaných hvězdicemi – organismem, který vědci dlouhodobě používají jako klasický model pro pochopení růstu a vývoje buněk.

Výzkumníci se zaměřili na klíčový enzym, který spouští kaskádu pohybu uvnitř vajíčka hvězdice. Geneticky navrhli světelně citlivou verzi stejného enzymu, který injektovali do vajíček a poté stimulovali buňky různými světelnými vzory.

Zjistili, že světlo úspěšně aktivovalo enzym, který následně vyvolal chvění a pohyb buněk v předvídatelných vzorcích. Vědci například mohli stimulovat buňky k malým stažením nebo zametacím kontrakcím v závislosti na vzoru světla, které vyvolali. Dokonce mohli svítit světlem na specifická místa kolem buňky, aby prodloužili její tvar z kruhu na čtverec.

Jejich výsledky, publikované v časopise Nature Physics, poskytují vědcům nový optický nástroj pro ovládání tvaru buněk v nejranějších vývojových fázích. Takový nástroj by podle jejich představ mohl usměrňovat návrh syntetických buněk, jako jsou terapeutické „záplatové“ buňky, které se stahují v reakci na světelné signály, aby pomohly uzavřít rány, nebo buňky „nosiče“ pro podávání léků, které uvolňují svůj obsah pouze tehdy, když jsou osvětleny na specifických místech v těle. Celkově výzkumníci vnímají svá zjištění jako nový způsob, jak zkoumat, jak život nabývá tvaru z jediné buňky.

„Odhalením toho, jak světelně aktivovaný spínač může v reálném čase měnit tvar buněk, odhalujeme základní konstrukční principy toho, jak se živé systémy samy organizují a vyvíjejí tvar,“ říká hlavní autorka studie Nikta Fakhri, profesorka fyziky na MIT. „Síla těchto nástrojů spočívá v tom, že nás vedou k dekódování všech těchto procesů růstu a vývoje, aby nám pomohly pochopit, jak to dělá příroda.“

Studie zahrnovala autory z MIT: první autorku Jinghui Liu, Yu-Chen Chao a Tzer Han Tan; spolu s Tomem Burkartem, Alexandrem Ziepkem a Erwinem Freyem z Ludwig Maximilian University of Munich; Johnem Reinhardtem ze Saarland University; a S. Zacharym Swartzem z Whitehead Institute for Biomedical Research.

Buňěčná obvodová technika

Fakhriho skupina na MIT studuje fyzikální dynamiku, která řídí růst a vývoj buněk. Zvláště se zajímá o symetrii a procesy, které řídí to, jak buňky následují nebo porušují symetrii během růstu a dělení. Pětiramenná hvězdice je podle ní ideální organismus pro zkoumání takových otázek růstu, symetrie a raného vývoje.

„Hvězdice je fascinující systém, protože začíná symetrickou buňkou a v raných stádiích se stává bilaterálně symetrickou larvou, a poté se vyvíjí do pentamerální symetrie dospělého jedince,“ říká Fakhri. „Takže existují všechny tyto signální procesy, které se dějí podél cesty a říkají buňce, jak se musí organizovat.“

Vědci dlouho studovali hvězdici a její různé fáze vývoje. Mezi mnoha zjeveními výzkumníci objevili klíčovou „obvodovou techniku“ uvnitř vajíčka hvězdice, která řídí jeho pohyb a tvar. Tato obvodová technika zahrnuje enzym GEF, který se přirozeně cirkuluje v cytoplazmě buňky. Když je tento enzym aktivován, vyvolá změnu v proteinu zvaném Rho, o kterém je známo, že je nezbytný pro regulaci mechaniky buněk.

Když enzym GEF stimuluje Rho, způsobí, že se protein přepne z podstaty volně plovoucího stavu do stavu, který váže protein na membránu buňky. V tomto membránou vázaném stavu pak protein spouští růst mikroskopických, svalových vláken, která procházejí membránou a následně se škubou, což umožňuje buňce kontrahovat a pohybovat se.

V předchozí práci Fakhriho skupina ukázala, že pohyby buňky lze manipulovat změnou koncentrací enzymu GEF v buňce: čím více enzymu do buňky zavedli, tím více kontrakcí buňka vykazovala.

„Celá tato myšlenka nás přiměla přemýšlet o tom, zda je možné tuto obvodovou techniku „hacknout“, nejen změnit vzor pohybů buňky, ale získat požadovanou mechanickou odezvu,“ říká Fakhri.

Světla a akce

Pro přesnou manipulaci s pohyby buněk se tým obrátil k optogenetice – přístupu, který zahrnuje genetické inženýrství buněk a buněčných komponent, jako jsou proteiny a enzymy, tak, aby se aktivovaly v reakci na světlo.

Pomocí zavedených optogenetických technik výzkumníci vyvinuli světelně citlivou verzi enzymu GEF. Z tohoto upraveného enzymu izolovali jeho mRNA – v podstatě genetický plán pro tvorbu enzymu. Poté injektovali tento plán do vajíček, která tým získal z jediného vaječníku hvězdice, který může obsahovat miliony neoplodněných buněk. Buňky, naplněné novou mRNA, pak začaly samy produkovat světelně citlivé enzymy GEF.

V experimentech poté výzkumníci umístili každé enzymem naplněné vajíčko pod mikroskop a svítili na buňku v různých vzorcích a z různých bodů podél periferie buňky. Natočili videa pohybů buňky v reakci.

Zjistili, že když zaměřili světlo na specifická místa, enzym GEF se aktivoval a na světelně cílená místa naverboval protein Rho. Tam pak protein spustil svou charakteristickou kaskádu svalových vláken, která buňku v týchž světelně stimulovaných bodech tahala nebo stahovala. Stejně jako tahání za nitky loutky dokázali ovládat pohyby buňky, například ji řídit k proměně v různé tvary, včetně čtverce.

Překvapivě zjistili, že mohou stimulovat buňku k zametacím kontrakcím svícením světla na jedno místo, překračujícím určitou prahovou hodnotu koncentrace enzymu.

„Uvědomili jsme si, že tato obvodová technika Rho-GEF je excitovatelný systém, kde malý, včasný stimul může spustit velkou, vše-nebo-nic odezvu,“ říká Fakhri. „Takže můžeme buď osvětlit celou buňku, nebo jen malé místo na buňce, takže se do této oblasti naverbuje dostatek enzymu, aby se systém sám spustil ke kontrakci nebo stažení.“

Výzkumníci shromáždili svá pozorování a odvodili teoretický rámec pro předpověď toho, jak se tvar buňky změní, vzhledem k tomu, jak je stimulován světlem. Rámec podle Fakhriho otevírá okno do „excitovatelnosti“ v jádru buněčné přestavby, což je základní proces v embryonálním vývoji a hojení ran.

Dodává: „Tato práce poskytuje plán pro navrhování „programovatelných“ syntetických buněk, což umožňuje výzkumníkům orchestrovat změny tvaru dle libosti pro budoucí biomedicínské aplikace.“

Tato práce byla částečně podpořena nadací Sloan Foundation a National Science Foundation.