Важлива наукова новина: біологам з Університету Тафтса (США) вдалося відновити здатність до регенерації хвостовій тканини у пуголовків.
Така робота могла б вважатися рядовою, якби не одна обставина: результат досягнутий нетривіальним способом, із застосуванням оптогенетики, в основі якої лежить управління активністю клітин за допомогою світла.
Кінцева мета всіх подібних досліджень - виявити природні механізми, що контролюють відновлення частин тіла, і навчитися включати їх у людини. Пуголовки для даного завдання підходять як не можна краще, оскільки на ранньому етапі розвитку зберігають здатність замінювати втрачені кінцівки, але потім різко її втрачають. Якщо відрізати хвіст у особин, що вступили в так званий рефрактерний період, вони вже не зможуть відростити його заново.
Чудово те, як вони це зробили. Одна група пуголовків, позбавлених хвоста, вирощувалася в ємності, висвітлювали короткими спалахами світла протягом двох днів; інша - жила в повній темряві. В результаті у пуголовків першої групи відновилася повноцінна хвостова тканину, включаючи структури хребта, м'язів, нервових закінчень і шкіри. Пуголовки другий подолати наслідки ампутації не змогли, як і належить в їхньому віці.
Якщо це схоже на фокус, то лише частково. Щоб розібратися, чому так сталося, потрібно пояснити принцип, який лежить в основі експерименту. Дійсно, всіх тварин, що знаходяться на одній стадії життєвого циклу, піддали ідентичним маніпуляціям. Єдине, що відрізняло дві групи, - наявність або відсутність освітлення. Однак світ не був справжньою причиною змін, що відбулися. Він служив дистанційним перемикачем, які приводили в дію фактор, який (не зовсім зрозумілим чином) запускав процес регенерації. В якості такого фактора виступала гиперполяризация трансмембранних потенціалів клітин; або простіше - біоелектрика.
Оптогенетики дозволяє побудувати експеримент порівняно просто. Молекули мРНК світлочутливого білка архерходопсіна ін'єкцією вводилися в пуголовків. Це призвело до того, що через деякий час на поверхні звичайних клітин, що знаходяться в товщі тканини, з'явилися «білки-насоси». За умови стимуляції світлом (і тільки в цьому випадку) вони индуцировали ток іонів через мембрану, змінюючи тим самим її електричний потенціал.
По суті, крім мембранних насосів, які активуються світлом, вчені в допомогу пуголовкам нічого не запропонували. Однак одного лише впливу на електричні властивості клітин виявилося досить, щоб запустити в організмі складний каскад регенераційних процесів. У свою чергу, завдяки оптогенетики викликати ці зміни ззовні простіше простого, потрібно лише посвітити на пуголовка.
Те, що в живому організмі присутні електричні струми, відомо з часів дослідів Гальвані. Однак мало хто вивчав їх вплив на розвиток так пильно, як це робить Левін. Біоелектрічество давно мало шанс стати гідною темою експериментів, але молекулярна революція в біології другої половини ХХ століття витіснила дослідницький інтерес до цього питання на периферію науки.
Левін, прийшовши зі сфери комп'ютерного моделювання і генетики, залучаючи до роботи найсучасніші методи, відсутні у попередників, фактично повертає цей напрям в біологічний мейнстрім. В основі його ентузіазму лежить переконання, що електрику є базове фізичне явище, і еволюція не могла не задіяти його в фундаментальних процесах, таких як розвиток організму.
Змінюючи трансмембранний потенціал клітин, вчений може дати команду тканинам пуголовка виростити око в заздалегідь певній ділянці тіла. На стіні його лабораторії висить фотографія шестиногої жаби. Додаткові кінцівки з'явилися у неї виключно внаслідок впливу на електричні біоструми. На відміну від нейронів, звичайні клітини не здатні збуджуватися, але можуть послідовно передавати сигнали практично по всьому організму через щілинні контакти. Якщо у планарії, крихітного хробака, який вміє регенерувати, відрізати хвостову частину, з області надрізу піде запит до голови, щоб переконатися, що вона на місці. Блокуйте передачу цієї інформації, і замість покладеного хвоста виросте голова.
Маніпулюючи різними іонними каналами, що визначають електричні властивості клітин, вчені в своїх експериментах отримували черв'яків з двома головами, двома хвостами і навіть черв'яків незвичайної конструкції з чотирма головами. За словами Левіна, майже завжди йому говорили, що його ідеї не повинні спрацювати. Він покладався на свою інтуїцію, і в більшості випадків вона не підводила.
Від цих спроб ще дуже далеко до повноцінного знання, як відновити кінцівку у людини. Поки інваліди можуть розраховувати лише на вдосконалення протезів. Однак в унікальній лабораторії Університету Тафтса шукають щось навіть більш фундаментальне: подібно генетичним кодом, вважає Левін, повинен існувати біоелектричний код, що зв'язує градієнти і динаміку напруги мембран з анатомічними структурами.
Розібравшись в ньому, можна буде не тільки управляти регенерацією, а й впливати на ріст пухлин. Левін розглядає їх як наслідок втрати клітинами інформації про форму організму, і дослідження проблеми раку входить в число завдань його лабораторії. Як це нерідко буває, різні на вигляд процеси можуть мати єдину природу.
Якщо біоелектричний код дійсно стоїть за побудовою різних органів тіла, його розгадка може пролити світло відразу на дві найважливіші проблеми, які стоять перед людством.