Bilim insanları denizyıldızı hücrelerini ışığa tepki olarak şekil değiştirecek şekilde tasarladı

Özet: Bilim insanları, bir denizyıldızı yumurta hücresinin gelişiminin en erken aşamasında nasıl sallandığını ve hareket ettiğini kontrol etmek için ışık kullandılar. Geliştirdikleri optik sistem, yara iyileşmesi veya ilaç dağıtımı için sentetik, ışıkla aktive olan hücrelerin tasarımına rehberlik edebilir.

Araştırma, yara iyileşmesi veya ilaç dağıtımı için sentetik, ışıkla aktive olan hücrelerin tasarlanmasını sağlayabilir.

Ayrıntılı Açıklama

Yaşam tek bir hücrenin hareketiyle şekillenir. Belirli protein ve enzimlerden gelen sinyallere yanıt olarak, bir hücre hareket etmeye ve sallanmaya başlayabilir, bu da sıkışmasına, sıkışmasına ve sonunda bölünmesine neden olan kasılmalara yol açar. Yavru hücreler nesil çizgisini takip ettikçe büyür, farklılaşır ve nihayetinde kendilerini tamamen oluşmuş bir organizma olarak düzenlerler.

Şimdi MIT bilim insanları, tek bir hücrenin gelişiminin en erken aşamasında nasıl sallanıp hareket ettiğini kontrol etmek için ışık kullandılar. Ekip, bilim insanlarının hücre büyümesi ve gelişimini anlamak için uzun zamandır klasik bir model olarak kullandıkları bir organizma olan denizyıldızı tarafından üretilen yumurta hücrelerinin hareketini inceledi.

Denizyıldızı yumurta hücresi içinde bir dizi hareketi tetikleyen kilit bir enzime odaklanan araştırmacılar, aynı enzimin ışığa duyarlı bir versiyonunu genetik olarak tasarlayarak yumurta hücrelerine enjekte ettiler ve ardından hücreleri farklı ışık modelleriyle uyardılar.

Işığın enzimi başarılı bir şekilde tetiklediğini ve bunun da hücrelerin öngörülebilir şekillerde sallanmasına ve hareket etmesine neden olduğunu buldular. Örneğin, bilim insanları, indükledikleri ışık modeline bağlı olarak hücreleri küçük kıstırmalar veya geniş kasılmalar sergilemeleri için uyarabiliyorlardı. Hatta bir hücrenin etrafındaki belirli noktalara ışık tutarak şeklini bir daireden kareye kadar uzatabiliyorlardı.

Nature Physics dergisinde yayınlanacak olan sonuçlar, bilim insanlarına hücre şeklini en erken gelişim aşamalarında kontrol etmek için yeni bir optik araç sağlıyor. Böyle bir aracın, yaraların kapanmasına yardımcı olmak için ışık sinyallerine yanıt olarak büzülen terapötik "yama" hücreleri veya içeriklerini yalnızca vücudun belirli yerlerinde aydınlatıldığında serbest bırakan ilaç veren "taşıyıcı" hücreler gibi sentetik hücrelerin tasarımına rehberlik edebileceğini düşünüyorlar. Genel olarak, araştırmacılar bulgularını yaşamın tek bir hücreden nasıl şekillendiğini araştırmanın yeni bir yolu olarak görüyorlar.

Çalışmanın kıdemli yazarı, MIT'de fizik profesörü olan Nikta Fakhri, "Işıkla aktive olan bir anahtarın hücreleri gerçek zamanlı olarak nasıl yeniden şekillendirebildiğini ortaya çıkararak, canlı sistemlerin kendi kendini nasıl organize ettiğine ve şekil değiştirdiğine dair temel tasarım ilkelerini ortaya çıkarıyoruz" diyor. "Bu araçların gücü, doğanın bunu nasıl yaptığını anlamamıza yardımcı olmak için tüm bu büyüme ve gelişme süreçlerini çözmemize rehberlik etmeleridir."

Çalışmanın MIT yazarları arasında ilk yazar Jinghui Liu, Yu-Chen Chao ve Tzer Han Tan'ın yanı sıra Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi'nden Tom Burkart, Alexander Ziepke ve Erwin Frey; Saarland Üniversitesi'nden John Reinhard ve Whitehead Biyomedikal Araştırma Enstitüsü'nden S. Zachary Swartz yer alıyor.

Hücre devresi

Fakhri'nin MIT'deki grubu, hücre büyümesini ve gelişimini yönlendiren fiziksel dinamikleri inceliyor. Özellikle simetri ve hücrelerin büyürken ve bölünürken simetriyi nasıl takip ettiklerini veya bozduklarını yöneten süreçlerle ilgileniyor. Beş uzuvlu denizyıldızının bu tür büyüme, simetri ve erken gelişim sorularını araştırmak için ideal bir organizma olduğunu söylüyor.

Fakhri, "Denizyıldızı büyüleyici bir sistemdir çünkü simetrik bir hücreyle başlar ve erken aşamalarda iki taraflı simetrik bir larvaya dönüşür ve daha sonra pentameral yetişkin simetrisine dönüşür" diyor. "Dolayısıyla, hücreye nasıl organize olması gerektiğini söylemek için yol boyunca gerçekleşen tüm bu sinyal süreçleri var."

Bilim insanları denizyıldızını ve gelişiminin çeşitli aşamalarını uzun süredir inceliyor. Araştırmacılar, birçok keşif arasında, denizyıldızı yumurta hücresi içinde hareketini ve şeklini kontrol eden önemli bir "devre" keşfettiler. Bu devre, bir hücrenin sitoplazmasında doğal olarak dolaşan GEF adlı bir enzimi içerir. Bu enzim aktive edildiğinde, hücre mekaniğini düzenlemek için gerekli olduğu bilinen Rho adlı bir proteinde bir değişikliğe neden olur.

GEF enzimi Rho'yu uyardığında, proteinin esasen serbest yüzen bir durumdan proteini hücrenin zarına bağlayan bir duruma geçmesine neden olur. Bu zara bağlı durumda, protein daha sonra zar boyunca uzanan ve daha sonra seğiren mikroskobik, kas benzeri liflerin büyümesini tetikleyerek hücrenin kasılmasını ve hareket etmesini sağlar.

Önceki çalışmalarında Fakhri'nin grubu, bir hücrenin hareketlerinin, hücrenin GEF enzimi konsantrasyonlarını değiştirerek manipüle edilebileceğini gösterdi: Bir hücreye ne kadar çok enzim eklerlerse, hücre o kadar çok kasılma sergileyecekti.

Fakhri, "Tüm bu fikir bize bu devreyi hacklemenin, sadece bir hücrenin hareket modelini değiştirmenin değil, istenen mekanik bir yanıtı almanın mümkün olup olmadığını düşündürdü" diyor.

Işıklar ve hareket

Ekip, bir hücrenin hareketlerini hassas bir şekilde manipüle etmek için, hücrelerin ve proteinler ve enzimler gibi hücresel bileşenlerin ışığa tepki olarak harekete geçecek şekilde genetik olarak mühendisliğini içeren bir yaklaşım olan optogenetiğe başvurdu.

Araştırmacılar, yerleşik optogenetik teknikleri kullanarak GEF enziminin ışığa duyarlı bir versiyonunu geliştirdiler. Bu mühendislik ürünü enzimden, mRNA'sını izole ettiler - esasen, enzimi oluşturmak için genetik plan. Daha sonra bu planı, ekibin milyonlarca döllenmemiş hücre tutabilen tek bir denizyıldızı yumurtalığından topladığı yumurta hücrelerine enjekte ettiler. Yeni mRNA ile aşılanan hücreler daha sonra kendi başlarına ışığa duyarlı GEF enzimleri üretmeye başladılar.

Deneylerde araştırmacılar daha sonra enzim aşılanmış her bir yumurta hücresini mikroskop altına yerleştirerek hücreye farklı desenlerde ve hücrenin çevresi boyunca farklı noktalardan ışık tuttular ve buna karşılık hücrenin hareketlerinin videolarını çektiler.

Işığı belirli noktalara yönelttiklerinde, GEF enziminin aktive olduğunu ve Rho proteinini ışıkla hedeflenen bölgelere topladığını buldular. Protein daha sonra hücreyi ışıkla uyarılan aynı noktalara çeken veya sıkıştıran kas benzeri liflerin karakteristik kademesini başlattı. Bir kuklanın iplerini çekmeye benzer şekilde, hücrenin hareketlerini kontrol edebildiler, örneğin onu bir kare de dahil olmak üzere çeşitli şekillere dönüşmeye yönlendirdiler.

Şaşırtıcı bir şekilde, tek bir noktaya ışık tutarak ve belirli bir enzim konsantrasyonu eşiğini aşarak hücreyi süpürme kasılmaları geçirmesi için uyarabileceklerini de buldular.

Fakhri, "Bu Rho-GEF devresinin, küçük, iyi zamanlanmış bir uyaranın büyük, ya hep ya hiç tepkisini tetikleyebildiği uyarılabilir bir sistem olduğunu fark ettik" diyor. "Böylece ya tüm hücreyi ya da hücre üzerinde sadece küçük bir yeri aydınlatabiliriz, böylece o bölgeye yeterli enzim toplanır ve sistem kendi kendine kasılmaya veya sıkışmaya başlar."

Araştırmacılar gözlemlerini derlediler ve ışıkla nasıl uyarıldığı göz önüne alındığında bir hücrenin şeklinin nasıl değişeceğini tahmin etmek için teorik bir çerçeve türettiler. Fakhri, bu çerçevenin "embriyo gelişimi ve yara iyileşmesinde temel bir süreç olan hücresel yeniden şekillenmenin kalbindeki 'uyarılabilirliğe'" bir pencere açtığını söylüyor.

"Bu çalışma, araştırmacıların gelecekteki biyomedikal uygulamalar için şekil değişikliklerini istedikleri gibi düzenlemelerine izin veren 'programlanabilir' sentetik hücreler tasarlamak için bir plan sunuyor."

Bu çalışma kısmen Sloan Vakfı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.

Kaynak: Massachusetts Institute of Technology