Wichtige wissenschaftliche Neuigkeiten: Biologen der Tufts University (USA) gelang es, die Fähigkeit zur Regeneration des Schwanzgewebes in Kaulquappen wiederherzustellen.
Eine solche Arbeit könnte als gewöhnlich angesehen werden, wenn nicht für einen Umstand: Das Ergebnis wurde auf nicht triviale Weise unter Verwendung der Optogenetik erzielt, die auf der Kontrolle der Zellaktivität mit Hilfe von Licht basiert.
Das ultimative Ziel all dieser Studien ist es, die natürlichen Mechanismen zu entdecken, die die Reparatur von Körperteilen steuern, und zu lernen, wie man sie beim Menschen einschaltet. Kaulquappen sind perfekt für diese Aufgabe, da sie in einem frühen Stadium der Entwicklung die Fähigkeit behalten, verlorene Gliedmaßen zu ersetzen, diese aber plötzlich verlieren. Wenn Sie Personen, die in die sogenannte Refraktärzeit eingetreten sind, den Schwanz abschneiden, können sie ihn nicht mehr nachwachsen lassen.
Interne Systeme, die die Regeneration steuern, sind in ihrem Körper noch vorhanden, werden jedoch aus irgendeinem Grund gestoppt. Michael Levin und seine Kollegen ließen sie wieder arbeiten und kehrten die physiologische Zeit effektiv zurück.
Die Art und Weise, wie sie es gemacht haben, ist großartig. Eine Gruppe schwanzloser Kaulquappen wurde zwei Tage lang in einem mit kurzen Lichtblitzen beleuchteten Behälter aufgezogen; der andere lebte in völliger Dunkelheit. Infolgedessen erholten die Kaulquappen der ersten Gruppe vollwertiges Schwanzgewebe, einschließlich der Strukturen der Wirbelsäule, der Muskeln, der Nervenenden und der Haut. Die zweiten Kaulquappen waren nicht in der Lage, die Folgen einer Amputation zu überwinden, wie es in ihrem Alter sein sollte.
Wenn es nach einem Trick klingt, ist es nur teilweise. Um zu verstehen, warum dies passiert ist, müssen Sie das dem Experiment zugrunde liegende Prinzip erläutern. In der Tat wurden alle Tiere im gleichen Stadium des Lebenszyklus identischen Manipulationen unterzogen. Das einzige, was die beiden Gruppen unterschied, war das Vorhandensein oder Fehlen von Beleuchtung. Licht war jedoch nicht die wahre Ursache für die Veränderung. Es diente als Fernschalter und aktivierte einen Faktor, der (nicht ganz klar) den Regenerationsprozess auslöste. Dieser Faktor war die Hyperpolarisation der Transmembranpotentiale von Zellen; oder einfacher Bioelektrizität.
Die Optogenetik macht es relativ einfach, ein Experiment zu entwerfen. Die mRNA-Moleküle des lichtempfindlichen Proteins Archerhodopsin wurden in Kaulquappen injiziert. Dies führte dazu, dass nach einer Weile auf der Oberfläche gewöhnlicher Zellen, die sich in der Dicke des Gewebes befanden, "Pumpproteine" auftraten. Unter der Bedingung der Stimulation mit Licht (und nur in diesem Fall) induzierten sie den Ionenstrom durch die Membran und veränderten dadurch ihr elektrisches Potential.
Abgesehen von lichtaktivierten Membranpumpen haben Wissenschaftler nichts angeboten, um Kaulquappen zu helfen. Nur ein Effekt auf die elektrischen Eigenschaften von Zellen reichte jedoch aus, um eine komplexe Kaskade von Regenerationsprozessen im Körper auszulösen. Dank der Optogenetik ist es wiederum so einfach wie das Schälen von Birnen, diese Veränderungen von außen hervorzurufen. Sie müssen nur die Kaulquappe beleuchten.
Werbevideo:
Regeneration bleibt eines der Hauptgeheimnisse der Biologie. Im Jahr 2005 hat das Wissenschaftsmagazin die folgende Frage zu den 25 wichtigsten Problemen der Wissenschaft gezählt: Was steuert die Organregeneration? Leider konnten Wissenschaftler noch nicht vollständig verstehen, warum einige Tiere in jedem Stadium ihres Lebens die verlorenen Körperteile frei wiederherstellen, während andere diese Fähigkeit für immer verlieren. Es war einmal, Ihr Körper wusste, wie man ein Auge oder einen Arm wachsen lässt.
Es ist lange her, ganz am Anfang des Lebens als Embryo. Experten interessieren sich dafür, wo dieses Wissen verschwindet und ob es möglich ist, es bei Erwachsenen wiederzubeleben. Derzeit konzentriert sich die Suche nach den meisten Biologen hauptsächlich auf die Expression von Genen oder chemischen Signalen. Im Labor von Michael Levin hofft die Antwort auf das Rätsel der Regeneration, in einem anderen Phänomen, der Bioelektrizität, zu finden, und diese Hoffnungen sind offenbar nicht unbegründet.
Die Tatsache, dass in einem lebenden Organismus elektrische Ströme vorhanden sind, ist seit Galvanis Experimenten bekannt. Allerdings haben nur wenige ihre Auswirkungen auf die Entwicklung so genau untersucht wie Lewin. Die Bioelektrizität hatte lange Zeit die Chance, ein würdiges Thema für Experimente zu werden, aber die molekulare Revolution in der Biologie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts brachte das Forschungsinteresse an diesem Thema an den Rand der Wissenschaft.
Levin, der aus dem Bereich der Computermodellierung und Genetik stammt und die modernsten Methoden anwendet, die bei seinen Vorgängern fehlten, kehrt diese Richtung tatsächlich zum biologischen Mainstream zurück. Seine Begeisterung basiert auf der Überzeugung, dass Elektrizität ein grundlegendes physikalisches Phänomen ist, und die Evolution konnte nicht anders, als sie in grundlegenden Prozessen wie der Entwicklung des Organismus zu nutzen.
Durch Veränderung des Transmembranpotentials von Zellen kann der Wissenschaftler das Gewebe der Kaulquappe anweisen, ein Auge in einem vorbestimmten Bereich des Körpers wachsen zu lassen. An der Wand seines Labors hängt ein Foto eines sechsbeinigen Frosches. Zusätzliche Gliedmaßen traten bei ihr allein aufgrund der Exposition gegenüber elektrischen Bioströmen auf. Im Gegensatz zu Neuronen können gewöhnliche Zellen nicht feuern, aber sie können durch Gap Junctions konsistent Signale im ganzen Körper übertragen. Wenn einem Planar, einem winzigen Wurm, der sich regenerieren kann, der Schwanz abgeschnitten wird, wird vom Schnittbereich eine Anfrage an den Kopf gesendet, um sicherzustellen, dass er vorhanden ist. Blockieren Sie die Übertragung dieser Informationen, und anstelle des beabsichtigten Schwanzes wächst ein Kopf.
Durch die Manipulation verschiedener Ionenkanäle, die die elektrischen Eigenschaften von Zellen bestimmen, haben Wissenschaftler in ihren Experimenten Würmer mit zwei Köpfen, zwei Schwänzen und sogar Würmer mit ungewöhnlichem Design und vier Köpfen hergestellt. Laut Levin wurde ihm fast immer gesagt, dass seine Ideen nicht funktionieren sollten. Er verließ sich auf seine Intuition, und in den meisten Fällen scheiterte es nicht.
Von diesen Versuchen ist es noch weit entfernt von der vollständigen Kenntnis, wie ein Glied in einer Person wiederhergestellt werden kann. Während behinderte Menschen nur auf die Verbesserung von Prothesen zählen können. Das einzigartige Labor an der Tufts University sucht jedoch nach etwas noch Grundlegenderem: Wie der genetische Code muss es nach Ansicht von Levin einen bioelektrischen Code geben, der die Gradienten und die Dynamik der Membranspannung mit anatomischen Strukturen verbindet.
Wenn man es verstanden hat, wird es möglich sein, nicht nur die Regeneration zu kontrollieren, sondern auch das Wachstum von Tumoren zu beeinflussen. Levin sieht sie als Folge des Informationsverlustes über die Form des Organismus durch Zellen, und die Untersuchung des Krebsproblems gehört zu den Aufgaben seines Labors. Wie so oft können scheinbar unterschiedliche Prozesse eine einzige Natur haben.
Wenn der bioelektrische Code wirklich hinter dem Aufbau verschiedener Organe des Körpers steckt, könnte seine Lösung zwei der wichtigsten Probleme auf einmal beleuchten, mit denen die Menschheit gleichzeitig konfrontiert ist.
