Биоэлектрические сигналы выглядят как простой поток ионов, но все указывает на то, что именно через них клетки договариваются о том, что им строить: пальцы, глаза, органы… или вообще вторую голову.
*https://www.youtube.com/watch?v=TY9g4CKxiug
**https://300.ya.ru/v_9Hf30cPT
таймкоды
00:00:00 Введение
- Обсуждение регенерации конечностей у аксолотля.
- Создание нанороботов из клеток человека.
- Влияние биоэлектрических сигналов на рост опухолей.
00:00:49 Регенерация у аксолотля
- Клетки аксолотля регенерируют конечности, восстанавливая их размер.
- Гены не определяют размер конечности, это зависит от физиологического «программного обеспечения».
- Локальный порядок подчиняется глобальному плану клеток.
00:02:18 Эксперимент с хвостом аксолотля
- Пересадка хвоста аксолотлю приводит к образованию конечности.
- Клетки осознают необходимость конечности и преобразуют хвост в пальцы.
00:03:13 Возможности для медицины и инженерии
- Понимание механизмов регенерации открывает новые возможности в медицине.
- Изменение целей клеток без изменения генетического кода.
00:04:07 Эксперимент с головастиком
- Введение РНК для синтеза калиевого ионного канала вызывает построение глаза.
- Клетки автоматически взаимодействуют для создания глаза.
00:05:24 Регенерация у планарии
- Планария регенерирует голову, используя электрические сигналы.
- Вмешательство в электрические сигналы приводит к образованию второй головы.
00:06:51 Перепрограммирование опухолей
- Подавление роста опухоли путём увеличения количества ионных каналов.
- Электрические сигналы подавляют рост опухоли независимо от местоположения клеток.
00:07:21 Коммуникация клеток человека
- Бета-клетки поджелудочной железы синхронно высвобождают инсулин в группе.
- Клетки общаются друг с другом на расстоянии.
00:08:10 Антроботы
- Синтетическая форма жизни из клеток эпителия трахеи человека.
- Антроботы могут восстанавливать нервную ткань и сшивать порезы.
- Медицинские возможности антроботов безграничны.
00:10:13 Заключение
- Призыв к дальнейшему изучению возможностей клеток.
- Ссылка на оригинальные публикации лаборатории Майкла Левина.
In this video
Введение
0:00
Почему, если отрезать аксолодлю лапу, он
0:02
регенерирует конечность такого же
0:04
размера? Что получится, если пришить ему
0:06
хвост на место лапы? Как учёные создали
0:08
нанороботов из клеток тела человека? И
0:11
что эти роботы смогли сделать? Как
0:13
изменение биоэлектрического сигнала
0:15
может блокировать рост опухоли? В этом
0:18
видео обсудим эксперименты, которые
0:19
переворачивают представление о работе
0:21
организма. Меня зовут Егор. Я
0:23
учёный-биолог. 13 лет работы в области
0:25
фундаментальных исследований, а
0:26
последние 5 лет в области клинических
0:28
исследований на людях. Давайте посмотрим
0:30
эксперименты. Когда мы просыпаемся
0:32
утром, у каждого из нас могут быть очень
0:34
абстрактные высокоуровневые цели:
0:36
финансовые, социальные и так далее. И
0:38
для того, чтобы мы встали из постели и
0:39
приступили к их выполнению, заряженные
0:42
молекулы, такие как кальций, натрий,
0:44
калий, должны пересечь мембраны наших
0:46
клеток мышечных, чтобы их активировать.
0:49
Другими словами, ток ионов, из-за
0:51
которого происходит обычное произвольное
0:53
движение, а должен подчиняться
0:55
высокоуровневой абстрактной ментальной
0:57
цели. И тела живых существ устроены
1:00
таким образом, что могут реализовывать
1:03
сложные абстрактные цели разными путями.
1:05
Один из способов реализации — это
1:07
биоэлектричество, то есть разница заряда
1:10
ионов с двух сторон от мембрано клетки.
1:12
Давайте посмотрим на экслотли. Он
Регенерация Аксолотля
1:14
обладает высокой способностью к
1:16
регенерации. Если конечность
1:18
амбутирована в любом месте по её длине,
1:20
то клетки приходят в действие, и они
1:22
немедленно регенерируют и отращивают ту
1:25
же самую структуру. Таким уже образом,
1:27
они восстанавливают повреждённые глаза,
1:29
челюсть и другие части тела и органы. Но
1:32
самая удивительная часть этого, откуда
1:34
клетки знают, когда нужно остановить
1:37
свой рост, как они понимают, что размер
1:39
регенерированной лапы должен быть именно
1:41
таким? Ведь в генах нет информации о
1:43
размере конечности, потому что в детстве
1:46
размер один, во взрослом возрасте он
1:48
другой, а гены всегда одни, и они не
1:50
меняются на протяжении жизни.
1:52
Получается, при регенерации клетки
1:54
способны понимать, когда они достигают
1:56
своей цели. И эта способность достигать
1:58
одной и той же цели реализуется [музыка]
2:00
из разных позиций. Если отрезать кисть
2:02
конечности, начиная с локтя или с плеча,
2:05
то есть вы действительно можете отрезать
2:07
конечностьля в любом месте, и в
2:09
результате регенерации вы получите
2:11
одинаковую лапу. Но заметьте, что дело
Что получится, если пришить аксолотлю хвост на место лапы?
2:14
здесь не в самом повреждении, и это
2:16
показывает эксперимент. [музыка]
2:17
Ещё в 1950 годах хвостолотля привили
2:20
хирургически сбоку на место конечности.
2:23
И со временем этот хвост превратился в
2:26
конечность. Слева на картинке хвост
2:28
только после пересадки, а справа уже
2:30
конечность. [музыка] А посередине вы
2:32
можете увидеть переходный вариант. С
2:34
точки зрения клеток на кончике хвоста
2:36
всё устроено правильно, нет травмы, нет
2:39
повреждения. Но эти совершенно
2:41
правильные клетки кончика хвоста
2:43
превратились в пальцы, потому что здесь
2:45
реализуется крупномасштабная цель
2:47
коллектива клеток. Структуры ткани и
2:49
органы прекрасно осознают, что здесь не
2:51
нужен хвост. Здесь, на самом деле, нужна
2:53
конечность. И их высокоуровневое
2:55
намерение исправить эту ошибку переходит
2:58
вниз до уровня молекулярной биологии,
3:00
которая превращает клетки кончика хвоста
3:02
в пальцы. [музыка] Таким образом,
3:04
локальный порядок фактически подчиняется
3:06
глобальному плану. И это удивительная
3:08
возможность наших тел, живых существ
3:11
очень хочется использовать. Каковы здесь
Хранится ли эта информация в геноме/ДНК?
3:13
возможности для медицины и инженерии?
3:16
Для этого надо понять, как клетки
3:18
понимают, что строят. Эта информация
3:20
явно не приходит из генов или ДНК,
3:22
потому что мы умеем читать геномы, и там
3:24
не закодировано ни количество глаз, ни
3:26
пальцев, ни их размер. Гены, то есть
3:28
ДНК, определяют белки. Это условно как
3:31
железо компьютера. аппаратное
3:33
обеспечение, и оно есть у каждой клетки.
3:35
И у каждой клетки оно одинаковое. А
3:37
количество пальцев, глаз и их
3:39
расположения — это результат
3:41
физиологического программного
3:43
обеспечения, которое работает на этом
3:45
генетическом железе. И если это
3:47
действительно так, то можно было бы
3:49
изменить цель клеток без изменения
3:51
генетического кода. Например, попросить
3:53
их создать целый орган [музыка] в
3:54
неожиданном месте. В эксперименте учёные
Что получится, если воздействовать на биоэлектрическую коммуникацию клеток? Эксперимент
3:56
из команды Левина так и поступили. Это
3:59
вид на головастика сбоку. Вот здесь
4:01
находится мозг сверху, рот здесь сзади
4:04
вот глаз, вот кишечник, [музыка]
4:06
а хвост здесь. Исследователи ввели
4:08
молекулу РНК для синтеза калиевого
4:10
ионного канала, который транспортирует
4:13
ионы калия и тем самым влияет на
4:15
мембранный биоэлектрический потенциал
4:17
клеток. Это создаёт небольшой участок
4:19
напряжения, который говорит клеткам:
4:22
«Построй здесь глаз». И клетки это
4:24
делают. Они строят красивый глаз с
4:25
хрусталиком и сетчаткой. На картинке они
4:28
обозначены красными стрелками и
4:30
образуются даже зрительный нерв. По
4:32
сути, есть всё, что должно быть у
4:34
нормального глаза. Фактически клетки, в
4:36
которые ввели РНК, автоматически
4:38
поговорили со своими соседями и
4:40
проинструктировали их присоединиться к
4:41
ним в создании глаза. Всё, что не
4:44
помечено синими стрелками на картинке,
4:45
исследователи не трогали, а указанные
4:48
синими стрелками клетки говорят другим
4:50
клеткам, что делать. За счёт добавления
4:52
калиевого канала электрическое состояние
4:54
в этом месте изменилось. Клеткам
4:56
сообщили, что надо делать. Но что самое
4:58
важное, это была инструкция на очень
5:00
высоком уровне, потому что
5:02
исследователям не пришлось говорить,
5:03
какие гены включать, какие гены
5:05
выключать, каким клеткам нужно делиться,
5:07
какие клетки должны построить нерв.
5:09
Исследователи не задавали таких
5:11
подробностей и но то, что учёные
5:13
действительно сделали — это сказали
5:15
компетентной ткани: «Построй здесь
5:17
глаз!» И она всё сделала сама. Итак,
5:20
очень абстрактная высокоуровневая цель
5:22
преобразовалась химические сигналы и
5:23
реализовалась. Что ещё? можно сделать,
5:26
влияя на биоэлектрические сигналы.
Эксперимент с регенераций планарии.
5:28
Посмотрите на эту работу. Это плоский
5:30
червь, называемый планарией, и он тоже
5:32
обладает высокой способностью к
5:34
регенерации. Если планария ампутировать
5:36
голову, она её отрастит. Чтобы узнать,
5:38
где голова должна вырасти, планария
5:40
использует разную концентрацию
5:42
заряженных частиц. Но что будет, если
5:44
планари отрезать голову и вмешаться в
5:46
эти электрические сигналы? Можете
5:48
получить двухголовую планарию, и это
5:51
будет полноценные функциональные головы
5:53
с глазами и нервами. Можно увидеть этот
5:55
на картинке. Вот глаза и вот нервы у
5:58
двухголовой планарии. А вот хвост
6:00
контрольной планарии. И они явно
6:02
отличаются. То есть совершенно другого
6:04
животного тоже можно обратиться к
6:06
биэлектрическому программному
6:07
обеспечению и получить вторую голову
6:09
там, где на самом деле должен быть
6:11
хвост. Наши учёные в лаборатории
6:13
проверили эти эксперименты и тоже
6:15
получили двухголовую планарию. Вторая
6:17
голова выросла из-за воздействия на
6:18
особые каналы, по которым движутся
6:20
заряженные частицы. Благодаря транспорту
6:22
ионов клетки понимают положение
6:24
относительно друг друга. А если добавить
6:26
актинол при регенерации планарии, то он
6:28
нарушит эту коммуникацию клеток и
6:30
приведёт к тому, что клетки не поймут,
6:32
где конкретно они находятся в теле
6:33
планарии, из-за чего на месте, где
6:35
должен был бы быть хвост, вырастет
6:37
голова. Это текущее объяснение
6:39
механизма, и мои коллеги ещё будут
6:41
перепроверять его в экспериментах. Но
6:43
уже сейчас вы можете посмотреть, как две
6:45
головы соревнуются за то, в какую
6:47
сторону двигаться. И это ещё не все
6:48
возможности использования
6:50
биоэлектрического интерфейса. Возможно
6:52
также и перепрограммировать опухоли.
6:54
Профессор Левен с командой показал в
Перепрограммирование опухолей (ITLS)
6:55
эксперименте, как это работает. В
6:57
эмбрион червя ввели ген, который
6:59
приводит к образованию раковой опухоли.
7:01
И в этот же эмбрион вкололи ген, который
7:03
увеличивает количество каналов,
7:05
отвечающих за транспорт заряженных
7:07
частиц. Именно их ток внутрь наружу
7:10
клетки создаёт биэлектрические сигналы.
7:12
Оказалось, что хотя клетки раковой
7:14
опухоли и клетки с генами ионных каналов
7:16
располагались в теле далеко друг от
7:18
друга, это всё равно позволило подавить
7:20
рост опухоля. Но способны ли клетки
Меняется ли биоэлектрическое поведение клеток по одиночке или в группе?
7:22
нашего человеческого тела к такой же
7:24
коммуникации? Для этого один наш учёный
7:26
поставил эксперимент на человеческих
7:28
клетках поджелудочной железы. Задача
7:30
была понять, различается ли поведение
7:32
одиночных бетаклеток и когда они
7:34
находятся в группе. После добавления к
7:37
клеткам глюкозы клетки начинают
7:39
высвобождать гормон инсулин. И по
7:41
картинкам кажется, что клетки в группе
7:43
делают это синхронно. Посмотрите на пики
7:46
активности на графиках. Вот одиночные
7:48
клетки, а вот те, что действуют сообща.
7:51
Пики их активности накладываются друг на
7:53
друга. Можно увидеть и
7:55
последовательность пиков. За одним
7:57
следует другой, как будто волны, где
7:59
одна подгоняет другую. И клетки в
8:01
группах общаются друг с другом, хотя они
8:03
напрямую не соприкасаются. [музыка] А
8:05
что, если возможности наших тканей и
Антроботы — новая синтетическая форма жизни.
8:07
клеток не ограничиваются целями нашего
8:10
тела? Исследователи с команды Майкла
8:11
Левина представили синтетическую форму
8:14
жизни, которая генетически на 100%
8:16
человек. В статье их назвали
8:18
антроботами, и сделаны они из взрослых
8:21
клеток эпителия трахея человека.
8:23
[музыка] У них есть способность
8:24
самособираться в крошечные существа с
8:27
маленькими ресничками на поверхности. И
8:29
благодаря этим ресничкам антработы
8:31
активно плавают, то есть ведут себя
8:33
совершенно по-другому, в отличие от
8:35
клеток, из которых они их получили. У
8:37
них есть четыре разных паттерна
8:39
движений, между которыми они могут
8:41
переключаться, [музыка]
8:42
и 9.000 генов, которые активны
8:44
по-другому, а не как у клеток капителя
8:46
Трахия, хотя исследователи ничего с
8:48
генами не делали. И получается, что
8:50
когда наши клетки больше не подчиняются
8:53
влиянию остального тела, у них
8:55
появляются другие компетенции и
8:57
возможности и цели. Например, они могут
Восстановление нервной ткани
8:59
восстанавливать повреждения в нейронах.
9:01
Так что если вы поместите кучку
9:03
человеческих нейронов в чашку Петрии,
9:05
возьмёте скальпель и сделаете надрез, а
9:08
затем поместите антроботов, помеченных
9:11
зелёным в этот надрез, [музыка] они
9:13
станут частью повреждённой нервной
9:15
ткани, а под местом их имплантации
9:17
регенерирует ткань, которая идентична
9:19
нервной ткани до повреждения. [музыка]
9:20
То есть антроботы могут сшивать порез.
9:23
Довольно сложно представить, что
9:24
эпилеальные клетки трахей, которые сидят
9:27
тихо десятилетиями и имеют дело со
9:29
слизью и частицами воздуха, обладают
9:32
такой способностью восстанавливать
9:33
нервную ткань. И медицинские возможности
9:35
здесь невероятные, потому что антработы
9:38
сделаны из наших собственных клеток. То
9:40
[музыка] есть при применении подобных
9:41
технологий для регенерации человека не
9:44
понадобится подавлять иммунную систему.
9:46
И это только начало понимания
Перспективы использование биоэлектрической коммуникации клеток
9:48
возможности наших клеток, где они
9:50
демонстрируют сценарии, когда живые
9:52
существа могут иметь цели и свойства,
9:54
которыми можно управлять и которые можно
9:57
создавать, даже если их в таком виде
9:59
никогда не было. Если вас заинтересовали
10:01
эти идеи и деятельность нашей научной
10:02
группы, свяжитесь с нами. Это видео
10:05
является адаптированной версией
10:06
оригинального видео Майкла Левина на
10:08
английском языке, и я намеренно
10:10
постарался не искажать оригинальные
10:12
работы и изложения. Первоначальную
10:14
публикации лаборатории Майкла Левина
10:16
можете прочесть на веб-сайте по ссылке в
10:17
описании.