Электрические прозрения в формировании тел

В лаборатории Майка Левина изучают плоских червей планарий — чемпионов регенерации. Если разрезать червя на части, каждый фрагмент восстановит именно те органы, которые ему нужны, не больше и не меньше. Ключевой вопрос: как клетки в фрагменте координируют свои действия, чтобы построить конкретную структуру и вовремя остановить рост?

Исследователи из Гарвардского института Висса обнаружили, что, манипулируя клеточными "разговорами", можно изменить процесс регенерации. Например, одно кратковременное воздействие заставляет фрагмент планарии отращивать два полноценных головы вместо одной. Удивительно, что это постоянное изменение анатомии достигается не редактированием генов, а воздействием на другой аспект биологии — биоэлектричество.

"Биоэлектрический потенциал — это не просто побочный продукт жизни; это среда, которую клетки используют для общения друг с другом и формирования сетей, которые представляют собой нечто большее, чем сумма их частей", — говорит Майк Левин.

Хотя электричество оставалось в центре внимания нейробиологии и кардиологии, идея о том, что клетки вне нервной системы также общаются и регулируются электрическими сигналами, долгое время была непопулярна. Изучать биоэлектричество сложно, потому что в момент фиксации или консервации организма электричество исчезает.

Раскрытие биоэлектрического кода

Левин и его команда изучают биоэлектрические сети, которые управляют сложными процессами, такими как "создать глазное яблоко здесь" или "залечить эту рану". Это отличается от быстрых сигналов в нейронах. Основная задача — "взломать биоэлектрический код", то есть понять, как ткани и органы кодируют анатомическую информацию в электрических сигналах.

Это знание может революционизировать регенеративную медицину. Если понять, какая серия сигналов несет инструкцию "построй ногу здесь", однажды можно будет направить человеческое тело на регенерацию конечности, подобно тому, как планарии отращивают головы.

"Я верю, что способность создавать и восстанавливать конкретные структуры эволюционно древняя и высоко консервативна, и нет причин, по которым её нельзя было бы когда-нибудь активировать у пациентов", — отмечает Левин.

Лаборатория использует машинное обучение и ИИ для анализа данных и построения моделей, объясняющих, как клетки принимают решения. Недавно созданная ИИ-система проанализировала сотни статей о планариях и предложила новую модель регенерации, которую не открыл ни один ученый-человек.

Перспективы и новые проекты

Современные инновации делают изучение биоэлектрических сигналов в живых организмах более осуществимым. Левин участвует в нескольких междисциплинарных проектах:

1. Иммунитет и биоэлектричество: Ранние исследования показали, что препараты, воздействующие на ионные каналы и делающие внутреннюю часть клеток более отрицательно заряженной, усиливают иммунный ответ головастиков на инфекцию E. coli. Это говорит о том, что иммунная система регулируется вне-нервным биоэлектричеством.
2. Проект "Биостаз" в институте Висса: Цель — найти способ замедлить биологическое время. Лаборатория разрабатывает конструкции для отслеживания биологического времени (метаболические, пролиферативные, биоэлектрические циклы) и тестирует соединения, которые могли бы его замедлить.

Исследования Левина демонстрируют, как биоэлектричество возвращает себе место рядом с генами и белками в качестве важнейшего элемента головоломки под названием "жизнь".