Dodano: 28 sierpień 2020r.

Jak nawigują komórki? Potrafią znaleźć najkrótszą trasę przez nawet najbardziej skomplikowany labirynt

Zdolne do samodzielnego ruchu komórki potrafią znaleźć najkrótszą drogę przez nawet najbardziej skomplikowany labirynt. Korzystają przy tym z chemotaksji, która pozwala im „zobaczyć”, co znajduje się za zakrętem. W nowych badaniach naukowcy sprawdzili, jak komórki radzą sobie w odnajdywaniu drogi i stworzyli dla nich dziesiątki labiryntów, w tym replikę słynnego roślinnego labiryntu z pałacu Hampton Court w Anglii.

Jak nawigują komórki? Potrafią znaleźć najkrótszą trasę przez nawet najbardziej skomplikowany labirynt

 

Dla pojedynczej komórki ludzkie ciało jest gigantycznym labiryntem wypełnionym trylionami innych komórek, które krzątają się zupełnie jak ludzie dojeżdżające do pracy na bardzo ruchliwej stacji kolejowej. W jakiś sposób, pośród całego tego zgiełku, większości komórek udaje się dotrzeć do celu. Ale jak to robią?

Chemotaksja

Migracją komórek przez tkanki i naczynia krwionośne sterują gradienty atrakcyjnych dla nich substancji chemicznych tzw. chemoatraktantów. Proces ten nazywany jest chemotaksją. Innymi słowy, komórki poruszają się poprzez wyczuwanie obecności chemicznych substancji, które prowadzą je do miejsca przeznaczenia.

Plemniki używają chemotaksji do znajdowania komórek jajowych, leukocyty do gromadzenia się w miejscach zakażenia, a komórki nowotworowe do tworzenia przerzutów przez wrażliwe tkanki. Z chemotaksji korzystają też ameby, pierwotniaki, bakterie czy algi do odnalezienia pokarmu czy partnera seksualnego.

Nasze komórki często muszą przemierzać bardzo skomplikowane trasy. - Jeśli na przykład skaleczysz się w palec, białe krwinki muszą znaleźć drogę przez nerwy, kości i skórę, aby przedostać się z naczyń krwionośnych do rany - powiedział Robert Insall z Cancer Research UK Beatson Institute w Glasgow.

Do przetestowania zdolności odnajdywania drogi przy użyciu chemotaksji przez długodystansowe komórki uczeni stworzyli dziesiątki mikroskopijnych labiryntów o różnym stopniu złożoności, w tym miniaturową wersję labiryntu z żywopłotu w Pałacu Hampton Court w Angli, który niegdyś był rezydencją króla Henryka VIII i jego potomków. Wyniki tych badań ukazały się na łamach pisma „Science”.

Labirynty

W swoich badaniach naukowcy skupili się na specyficznej formie nawigacji komórkowej zwanej chemotaksją samoczynnie generowaną lub autogenną (z j. ang. self-generated chemotaxis). Ta forma chemotaksji umożliwia komórkom uzyskanie zaskakujących ilości informacji o otaczającym je środowisku. Dzięki temu komórki mogą identyfikować najlepsze ścieżki przez złożone labirynty, nawet jeśli te prawidłowe są długie i z wieloma zakrętami.

Podczas eksperymentów badacze zauważyli, że komórki wyznaczają najlepszą drogę wykorzystując enzymy do rozkładania chemoatraktantów w ich bezpośrednim otoczeniu, a następnie wyczuwając stopień, w jakim chemikalia są uzupełniane z różnych kierunków. - Odczytują otrzymane gradienty chemiczne, aby zobaczyć, dokąd się udać. W obliczu krótkiej uliczki ze słabym sygnałem atraktanta i długiej z silnym sygnałem, komórki nigdy nie pójdą ślepą uliczką. One naprawdę potrafią „widzieć”, co jest za rogiem - wyjaśnił Insall.

Dzięki temu komórki mogą odróżnić ślepe zaułki od ścieżek prowadzących dalej. - Gdy komórki zbliżają się do skrzyżowania prowadzącego do ślepego zaułka i drogi prowadzącej dalej, sprawdzają stężenie chemoatraktantu ze wszystkich stron, ale tylko ta dobra strona zostaje uzupełniona – dodał Insall.

Złożone procesy migracji komórek

Naukowcy do eksperymentów wybrali mysie komórki raka trzustki oraz bytujące w glebie ameby Dictyostelium discoideum. Zarówno komórki nowotworowe, jak i ameby, znajdowały drogę do wyjścia z niewiarygodną dokładnością, używając chemotaksji, aby skutecznie „widzieć, co jest za rogiem” i unikać ślepych uliczek, zanim jeszcze do nich dotarły.

- Komórki nie czekają, aż ktoś im powie, co mają robić. Rozkładając znajdujące się przed nimi chemikalia i wiedzą, która gałąź labiryntu prowadzi do ślepej uliczki, a która prowadzi do wyjścia. To absolutnie niewiarygodne – ocenił Insall.

Rozwiązanie najdłuższych i najbardziej skomplikowanych labiryntów zajęło sprytnym komórkom około dwóch godzin. Te krótsze i łatwiejsze pokonywały w zaledwie 30 minut. W trudniejszych labiryntach, zawierających ślepe zaułki, które były tak samo długie, jak prawidłowe ścieżki, komórki wybierały dobrze w około połowie przypadków. Jak widać na nagraniach, komórki, które błąkały się i sprawdzały każdą ścieżkę, stawały wobec sytuacji, w której nawet ta właściwa ścieżka była już pozbawiona chemoatraktanta przez ich pobratymców, nie pozostawiając maruderom żadnych informacji o tym, gdzie mają iść.

- Komórki lepiej radzą sobie z rozwiązywaniem labiryntów niż ludzie, ponieważ potrafią wyczuć ścieżkę, zanim jeszcze do niej wejdą. My nie możemy stwierdzić, że istnieje ślepy zaułek, dopóki nie wejdziemy do środka i nie zobaczymy go na własne oczy - zaznaczył Insall.

Naukowcy mają nadzieję, że odkrycia poprawią naszą wiedzę na temat złożonych procesów migracji komórek wewnątrz organizmu, w tym sposobu rozprzestrzeniania się komórek nowotworowych.

 

Źródło: Live Science, fot. Luke Tweedy, Michele Zagnoni, Cancer Research UK