Πώς παράγουν ήχο τα κύτταρα μας;
Η κίνηση των μοριακών κινητήρων (κινητήρων πρωτεϊνών) στη μεταφορά κυτταρικών οργανιδίων και στη δημιουργία του σκηνικού για κυτταρικές δραστηριότητες όπως η κυτταρική διαίρεση, η μυϊκή σύσπαση κ.λπ. πιστεύεται ότι είναι η βασική αιτία για τους κυτταρικούς ήχους. Η μελέτη των ήχων ενός κυττάρου ονομάζεται υπερηχοκυτταρολογία.
Η εσωτερική φωνή που συχνά σας λέει να κάνετε το άλμα, να παρατήσετε τη δουλειά, να εξομολογηθείτε τη συντριβή σας και να δώσετε φωνή στις τυχαίες βίαιες σκέψεις σας μπορεί στην πραγματικότητα να είναι τα κελιά σας που τραγουδούν μια συμφωνία.
Λοιπόν, όχι πραγματικά, αλλά τα κύτταρα σας τραγουδούν και μπορεί να είναι σε θέση να δώσουν στους τραγουδιστές της όπερας να τρέχουν για τα χρήματά τους.
Ερευνητές το έτος 2004 ανακάλυψαν ότι τα κύτταρα δονούνται. όταν αυτές οι δονήσεις ενισχύονται, ακούγονται σαν τσιρίσματα. Επίσης, κάθε μεμονωμένο κύτταρο θεωρείται ότι δονείται μοναδικά. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η αποκωδικοποίηση αυτών των τσιρισμών θα μπορούσε να μας βοηθήσει να αναγνωρίσουμε την κατάσταση ενός κυττάρου και έτσι να προβλέψουμε την άφιξη μιας ασθένειας. Αυτή η μελέτη των ήχων ενός κυττάρου ονομάζεται υπερηχοκυτταρολογία ("sonos" ~ ήχος, "κυτταρολογία" ~ μελέτη της κυτταρικής δομής και λειτουργίας).
Ανακάλυψη της υπερηχοκυτταρολογίας
Ο Jim Gimzewski, καθηγητής και φυσικός στο UCLA, μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητή Andrew Pelling, ήταν οι ερευνητές που ανακάλυψαν κυτταρικούς ήχους. Το ενδιαφέρον του Jim κέντρισε το θέμα όταν ο Carlo Ventura, ένας ιατρικός ερευνητής, τον ενημέρωσε για τη συνεχιζόμενη μελέτη του για τα βλαστοκύτταρα και την εμφύτευσή τους σε ασθενείς με καρδιακή προσβολή. Τα βλαστοκύτταρα θα πρέπει να εμφυτευθούν ακριβώς την κατάλληλη στιγμή (ακριβώς όταν αρχίζουν να χτυπούν) προκειμένου να βοηθηθούν οι καρδιοπαθείς. Ο Τζιμ ζήτησε από τον Κάρλο να του στείλει μερικά κελιά, δηλώνοντας ότι θα τα άκουγε για να βρει την ακριβή στιγμή στην ανάπτυξή τους που θα αρχίσουν να χτυπούν.
Ήταν επίσης περίεργος να δει αν όλα τα άλλα κύτταρα χτυπούσαν ή αν αυτό ήταν μοναδικό στα κύτταρα της καρδιάς. Επιπλέον, εάν όλα τα κύτταρα όντως πάλλονται όπως τα κύτταρα της καρδιάς, θα ήταν επαρκείς οι δονήσεις για να παράγουν έναν ανιχνεύσιμο ήχο;
Ο Jim και ο Pelling χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) για να ακούσουν τα κύτταρα. (Φωτογραφία:Zureks/Wikimedia Commons)
Όντας ειδικός στον τομέα των οργάνων, ο Jim ήξερε ότι ο ήχος που παράγει ένα κύτταρο δεν θα μπορούσε να ακουστεί στο γυμνό αυτί, αλλά θα μπορούσε να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή. Ως εκ τούτου, το ζευγάρι χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) για να πραγματοποιήσει τις μελέτες του και να ακούσει τα κύτταρα.
Λόγω των τραγικών συνθηκών της 11ης Σεπτεμβρίου, τα βλαστοκύτταρα δεν έφτασαν ποτέ. Ωστόσο, ο Jim ανυπομονούσε να ακούσει το τραγούδι των κυττάρων και αντ 'αυτού αποφάσισε να πειραματιστεί σε κύτταρα ζύμης που έλαβε από τους συναδέλφους του στο UCLA. Τα κύτταρα ζύμης βρίσκονται συχνά στο επίκεντρο πολλών βιολογικών μελετών λόγω των ταχέων ρυθμών αναπαραγωγής τους και της παρουσίας λιγότερων γονιδίων.
Οι σπουδές των Gimzewski και Pelling σε ένα μικρό ηχομονωμένο δωμάτιο στο υπόγειο της αίθουσας Young του UCLA τους οδήγησαν τελικά να ιδρύσουν το πεδίο της υπερηχοκυτταρολογίας το 2004. Τούτου λεχθέντος, ο τομέας της υπερηχοκυτταρολογίας είναι ακόμη πολύ ανεξερεύνητος και δεν έχει ακόμη και μια σελίδα στη Wikipedia. δικός!
Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM)
Πριν προχωρήσουμε σε περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τους ήχους ενός κυττάρου, ας ρίξουμε μια σύντομη ματιά στη συσκευή που χρησιμοποιούσαν αυτοί οι ερευνητές για να ανιχνεύσουν αυτούς τους ήχους.
Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος ανιχνευτής σάρωσης ικανός να δημιουργεί εικόνες εξαιρετικά μικροσκοπικών αντικειμένων. Αυτό περιλαμβάνει αντικείμενα μικρότερα από ένα νανόμετρο (1 νανόμετρο =10–9 μέτρα). Η ίδια η ανθρώπινη τρίχα έχει πλάτος περίπου 80.000 – 100.000 nm και ένα AFM είναι ικανό να απεικονίζει αντικείμενα πολύ μικρότερα από αυτό.
Το AFM αποτελείται από μια δοκό προβόλου με ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό άκρο (συνήθως κατασκευασμένο από πυρίτιο ή νιτρίδιο πυριτίου) στερεωμένο στο ένα άκρο. Όπως ένα πικάπ, η άκρη αγγίζει την επιφάνεια που πρόκειται να απεικονιστεί, ενώ μια μονάδα xyz μετακινεί τη δέσμη του προβόλου σε όλη την επιφάνεια. Η άκρη εκτρέπεται κάθε φορά που ανιχνεύει έναν «λόφο» ή «κοιλάδα» στην επιφάνεια. Αυτή η απόκλιση συλλέγεται από ένα λέιζερ που ανακλάται από τη δέσμη του προβόλου. Για κάθε εκτροπή του άκρου, το λέιζερ αναγκάζεται επίσης να αλλάξει την κατεύθυνσή του. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια λεπτομερής εικόνα με κάθε λόφο και κοιλάδα χαρτογραφημένη στην επιφάνεια του νανοσκοπικού αντικειμένου.
Τι κάνει το cell να τραγουδά;
Επιστρέφοντας στα τραγουδιστικά κύτταρα μας, το πρώτο πείραμα των Gimzewski &Pelling στα κύτταρα ζύμης συγκλόνισε τον κόσμο. Το AFM κατέγραψε κανονικές ταλαντώσεις που προέκυψαν από το κυτταρικό τοίχωμα. Το κυτταρικό τοίχωμα ανυψώθηκε και έπεσε κατά τρία νανόμετρα (πλάτος του ηχητικού κύματος) και το επανέλαβε σχεδόν 1.000 φορές το δευτερόλεπτο (συχνότητα του ηχητικού κύματος). Χρησιμοποιώντας λογισμικό μετατροπής, το ζευγάρι κατάφερε να μετατρέψει την εικόνα AFM σε ήχο που μπορούσε να ακουστεί στο ανθρώπινο αυτί. Το αποτέλεσμα ήταν ένας τόνος περίπου 880 Hz.
Ωστόσο, οι Gimzewski &Pelling ανησυχούσαν ότι ο ήχος μπορεί να οφειλόταν σε κάποιο εσωτερικό μηχανισμό του μικροσκοπίου. Ως εκ τούτου, το ζευγάρι έκανε ακόμη περισσότερες δοκιμές στα κύτταρα ζυμομύκητα για να επιβεβαιώσει τα αρχικά του ευρήματα.
Μουλιάζουν τα κύτταρα σε οινόπνευμα τριβής (γνωστό ότι σπάει την κυτταρική μεμβράνη και οδηγεί σε κυτταρικό θάνατο) για να ελέγξουν αν υπήρχε κάποια αλλαγή στο ύψος του ήχου. Για να αναφέρω τον ίδιο τον Τζιμ, το τρίψιμο αλκοόλ έκανε τα κύτταρα να ουρλιάζουν στην αρχή, πριν τα φιμώσει μέχρι θανάτου. Αφού επανέλαβαν τα πειράματά τους σε διάφορες συνθήκες, όπως διαφορετικά χημικά μέσα και θερμοκρασίες, και σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι κάθε κύτταρο παράγει τον δικό του μοναδικό ήχο. Τα πειράματά τους πρότειναν επίσης ότι οι ήχοι μπορεί να προέρχονται από το μέσα τα κελιά.
Πρωτεΐνη κινητήρα Κινεσίνη που κινείται κατά μήκος ενός μικροσωληνίσκου. (Φωτογραφία:Jzp706/Wikimedia Commons)
Ο Jim πιστεύει ότι ο ήχος προέρχεται από την κίνηση των μοριακών κινητήρων. Οι μοριακοί κινητήρες είναι βιολογικές μηχανές υπεύθυνες για τη μεταφορά υλικών μέσα σε ένα κύτταρο. Είναι ουσιαστικά μόρια πρωτεΐνης (και ονομάζονται επίσης πρωτεΐνες κινητήρα) που χρησιμοποιούν χημική ενέργεια από την υδρόλυση ATP για να κινηθούν κατά μήκος του κυτταροπλάσματος των κυττάρων. Μερικές από αυτές τις κινητικές πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά κυτταρικών οργανιδίων όπως μιτοχόνδρια, στοίβες Golgi κ.λπ. στις μεμονωμένες θέσεις τους στο κύτταρο, ενώ άλλες θέτουν το υπόβαθρο για φαινόμενα όπως η κυτταρική διαίρεση, η μυϊκή σύσπαση κ.λπ. Παραδείγματα κινητικών πρωτεϊνών είναι η κινεσίνη. Mysosins, Dynein, κλπ.
Οι πρωτεΐνες του κινητήρα συνδέονται με τον κυτταροσκελετό (υπεύθυνος για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας και του σχήματος ενός κυττάρου), ο οποίος με τη σειρά του συνδέεται με την κυτταρική μεμβράνη. Η κίνηση των πρωτεϊνών κινητήρα πιστεύεται επομένως ότι μεταφέρεται στην κυτταρική μεμβράνη, προκαλώντας την ταλάντωση, μέσω του κυτταροσκελετού.
Σύμφωνα με τον υπολογισμό του Jim, η ενέργεια που απαιτείται για τις πρωτεΐνες του κινητήρα για να κινηθούν και να παράγουν ήχο είναι η ίδια. Προς υποστήριξη της θεωρίας του Jim, τα κινητικά μόρια κάνουν περίπου 1000 βήματα το δευτερόλεπτο, που ήταν και η συχνότητα του ήχου που κατέγραψε το AFM. Η ενοποιημένη κίνηση των πρωτεϊνών του κινητήρα μέσα σε ένα κύτταρο πιστεύεται επομένως ότι είναι ο λόγος πίσω από τους ήχους ενός κυττάρου!
Τελικές λέξεις
Με κάθε νέα έρευνα έρχονται νέοι κριτικοί. Μερικοί πιστεύουν ότι δεν υπάρχουν αρκετοί μοριακοί κινητήρες για να δημιουργήσουν έναν ακουστικό ήχο, επομένως τα ριβοσώματα θα μπορούσαν να είναι αυτά που κάνουν τα κύτταρα να τραγουδούν. Ωστόσο, οι επιστήμονες πλέον επικεντρώνονται περισσότερο στον τρόπο με τον οποίο οι κυτταρικοί ήχοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για δημόσιο όφελος, αντί να βρουν την οριστική προέλευσή τους.
Η πιο ενδιαφέρουσα εφαρμογή των κυτταρικών ήχων και ο τομέας της υπερηχοκυτταρολογίας που έχει προταθεί μέχρι τώρα είναι η ανίχνευση ασθενειών, όπως ο καρκίνος. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, διαφορετικοί τύποι κυττάρων παράγουν διαφορετικούς τύπους ήχους. Αυτό περιλαμβάνει επίσης μεταλλαγμένα και καρκινικά κύτταρα. Τα καρκινικά κύτταρα είναι γνωστό ότι έχουν μια πιο μαλακή κυτταρική μεμβράνη, επομένως, εάν όλα πάνε όπως πρέπει, χρησιμοποιώντας τους ήχους ενός κυττάρου και του AFM, ο έλεγχος ενός ενός κυττάρου θα μπορούσε να είναι αρκετό για τη διάγνωση του καρκίνου. Επίσης, η υπερηχοκυτταρολογία θα μπορούσε να βοηθήσει στη δημιουργία μιας βιβλιοθήκης ήχων που παράγονται από κύτταρα που έχουν προσβληθεί από διάφορες ασθένειες για να βοηθήσει στην πρόβλεψη της άφιξης ή της ανάπτυξής τους!
