Биороботы возникают из клеток мёртвых организмов — стирая границы между жизнью, смертью и медициной

Жизнь и смерть традиционно считаются противоположностями. Однако появление новых многоклеточных форм жизни из клеток мёртвого организма вводит «третье состояние», лежащее за пределами традиционных границ жизни и смерти.

Обычно учёные считают смерть необратимой остановкой функционирования организма как целого. Однако практики вроде донорства органов показывают, как органы, ткани и клетки могут продолжать работать даже после смерти организма. Эта устойчивость поднимает вопрос: какие механизмы позволяют определённым клеткам продолжать функционировать после смерти организма?

Мы — исследователи, изучающие, что происходит внутри организмов после их смерти. В нашем недавнем обзоре мы описываем, как определённые клетки — при наличии питательных веществ, кислорода, биоэлектричества или биохимических сигналов — способны превращаться после смерти в многоклеточные организмы с новыми функциями.

Жизнь, смерть и возникновение нового

Третье состояние бросает вызов традиционному пониманию поведения клеток. Хотя превращение гусеницы в бабочку или головастика в лягушку — знакомые примеры развития, мало случаев, когда организмы меняются непредопределённым образом. Опухоли, органоиды и клеточные линии, способные бесконечно делиться в чашке Петри (как клетки HeLa), не считаются частью третьего состояния, поскольку не развивают новых функций.

Однако исследователи обнаружили, что клетки кожи, извлечённые из умерших эмбрионов лягушки, смогли адаптироваться к новым условиям в чашке Петри в лаборатории, спонтанно реорганизовавшись в многоклеточные организмы, названные ксеноботами. Эти организмы демонстрировали поведение, далеко выходящее за рамки их первоначальных биологических ролей. В частности, ксеноботы используют свои реснички — маленькие волосовидные структуры — для навигации и движения в окружающей среде, тогда как в живом эмбрионе лягушки реснички обычно используются для перемещения слизи.

Ксеноботы также способны к кинематическому самовоспроизведению, то есть могут физически воспроизводить свою структуру и функцию без роста. Это отличается от более распространённых процессов репликации, которые включают рост внутри или на теле организма.

Исследователи также обнаружили, что одиночные клетки человеческого лёгкого могут самоорганизовываться в миниатюрные многоклеточные организмы, способные перемещаться. Эти антроботы ведут себя и устроены по-новому. Они не только могут ориентироваться в окружающей среде, но и восстанавливать как себя, так и повреждённые клетки нейронов, помещённые рядом.

В совокупности эти находки демонстрируют присущую клеточным системам пластичность и бросают вызов идее, что клетки и организмы могут эволюционировать только предопределёнными путями. Третье состояние предполагает, что смерть организма может играть значительную роль в том, как жизнь трансформируется со временем.

Постмортальные условия

На способность определённых клеток и тканей выживать и функционировать после смерти организма влияют несколько факторов. К ним относятся условия окружающей среды, метаболическая активность и методы сохранения.

Разные типы клеток имеют разное время выживания. Например, у человека белые кровяные клетки умирают через 60–86 часов после смерти организма. У мышей клетки скелетных мышц можно вырастить заново через 14 дней после смерти, в то время как фибробласты овец и коз можно культивировать примерно до месяца после смерти.

Метаболическая активность играет важную роль в том, могут ли клетки продолжать выживать и функционировать. Активные клетки, требующие постоянного и значительного притока энергии для поддержания своей функции, культивировать сложнее, чем клетки с более низкими энергетическими потребностями. Методы сохранения, такие как криоконсервация, могут позволить образцам тканей (например, костного мозга) функционировать аналогично тканям живых доноров.

Врождённые механизмы выживания также играют ключевую роль в том, живут ли клетки и ткани дальше. Например, исследователи наблюдали значительное увеличение активности генов, связанных со стрессом и иммунитетом, после смерти организма, вероятно, для компенсации потери гомеостаза. Более того, такие факторы, как травма, инфекция и время, прошедшее с момента смерти, значительно влияют на жизнеспособность тканей и клеток.

Факторы вроде возраста, здоровья, пола и вида организма дополнительно формируют постмортальный ландшафт. Это видно на примере сложности культивирования и трансплантации метаболически активных островковых клеток (продуцирующих инсулин в поджелудочной железе) от доноров реципиентам. Исследователи полагают, что аутоиммунные процессы, высокие энергетические затраты и деградация защитных механизмов могут быть причиной многих неудач трансплантации островковых клеток.

Как взаимодействие этих переменных позволяет определённым клеткам продолжать функционировать после смерти организма, остаётся неясным. Одна из гипотез заключается в том, что специализированные каналы и насосы, встроенные во внешние мембраны клеток, служат сложными электрическими цепями. Эти каналы и насосы генерируют электрические сигналы, позволяющие клеткам общаться друг с другом и выполнять специфические функции, такие как рост и движение, формируя структуру организма, который они образуют.

Степень, в которой разные типы клеток могут подвергаться трансформации после смерти, также не определена. Предыдущие исследования показали, что специфические гены, вовлечённые в стресс, иммунитет и эпигенетическую регуляцию, активируются после смерти у мышей, рыбок данио и людей, что предполагает широкий потенциал для трансформации среди разнообразных типов клеток.

Значение для биологии и медицины

Третье состояние не только даёт новое понимание адаптивности клеток. Оно также открывает перспективы для новых методов лечения.

Например, антроботов можно получать из живой ткани индивидуума для доставки лекарств, не вызывая нежелательного иммунного ответа. Сконструированные антроботы, введённые в тело, потенциально могут растворять артериальные бляшки у пациентов с атеросклерозом и удалять избыток слизи у пациентов с муковисцидозом.

Важно, что эти многоклеточные организмы имеют ограниченный срок жизни, естественным образом разлагаясь через 4–6 недель. Этот «предохранительный выключатель» предотвращает рост потенциально инвазивных клеток.

Лучшее понимание того, как некоторые клетки продолжают функционировать и превращаться в многоклеточные сущности спустя некоторое время после смерти организма, обещает продвижение в области персонализированной и превентивной медицины.