- 23,485
- 46
- 8 Ноя 2022
Думали, ток нужен только мозгу? Ошибка.
Мы привыкли думать, что электричество - это история про мозг, нервы и, в лучшем случае, сердце. Остальные ткани в этом представлении выглядят как «просто мясо», которое живет химией и механикой. Новая работа в Nature аккуратно ломает этот стереотип: защитные эпителиальные ткани, которые образуют кожу и выстилают внутренние поверхности органов, используют электрические сигналы как способ коллективного контроля качества. Речь не о "мышлении клеток", а о том, как целый слой решает, кого пора убрать, чтобы ткань оставалась здоровой.
Ключевой процесс, о котором идет речь, называется экструзия. Это механизм, при котором эпителий выталкивает наружу отдельную клетку - обычно живую, но ослабленную или не тянущую общие нагрузки. Снаружи это выглядит почти жестоко, однако именно так ткань поддерживает баланс между ростом и обновлением. Когда экструзия работает неправильно, последствия оказываются совсем не академическими: сбои связывают с заболеваниями, включая рак и астму. При этом оставалось непонятно самое важное - по каким признакам слой выбирает кандидата на удаление.
Авторы показали, что сигналом к такому отбору становится изменение электрических параметров мембраны. По мере роста эпителия клетки плотнее упаковываются, давление между ними возрастает, а вместе с этим увеличивается ток, проходящий через мембрану каждой клетки. Здоровая клетка способна компенсировать такие изменения, тратя энергию на поддержание своего нормального электрического состояния. Ослабленная, старая или испытывающая энергетический голод с этой задачей справляется хуже. В итоге запускается цепочка событий, которая приводит к быстрому выходу воды, заметному сморщиванию и последующему выталкиванию из слоя. В таком сценарии электрические параметры работают как встроенный «медосмотр» на уровне ткани и помогают ей вовремя подрезать слабое звено.
Генетик Гуан Цзюнь Чжан из Университета Пердью, который изучает электрические сигналы в развитии рыбок данио и не участвовал в работе, обратил внимание на один момент: именно сдвиг электрических характеристик оказался самым ранним событием в цепочке, ведущей к экструзии. Наблюдение хорошо укладывается в более широкую тенденцию - биологи все чаще находят электрические механизмы далеко за пределами нервной системы.
<!--'start_frame_cache_Zg1Ab0'--><div class="banner-detailed"><div class="banner-detailed__shell"><div class="banner-detailed__title">Только проверенные факты, влияющие на ваше будущее. <span>Подпишитесь на нас</span><div class="banner-detailed__arrow"><svg viewBox="0 0 40 40" fill="none" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"><path d="M20.5375 34.4392L22.465 31.7392C22.5739 31.5872 22.7145 31.4607 22.8772 31.3684C23.0399 31.2762 23.2207 31.2205 23.407 31.2052C23.5934 31.1898 23.7809 31.2152 23.9564 31.2796C24.132 31.344 24.2915 31.4458 24.4237 31.578L29.6025 36.758C30.0787 37.2333 30.724 37.5002 31.3969 37.5002C32.0697 37.5002 32.715 37.2333 33.1912 36.758L36.7575 33.1917C37.2328 32.7155 37.4998 32.0702 37.4998 31.3973C37.4998 30.7245 37.2328 30.0792 36.7575 29.603L31.5775 24.4242C31.4453 24.2919 31.3435 24.1325 31.2791 23.9569C31.2147 23.7814 31.1893 23.5939 31.2047 23.4075C31.22 23.2211 31.2757 23.0404 31.368 22.8777C31.4602 22.715 31.5867 22.5743 31.7387 22.4655L34.4387 20.538C34.6405 20.3939 34.7965 20.1947 34.8878 19.9641C34.9791 19.7336 35.0018 19.4816 34.9534 19.2385C34.9049 18.9953 34.7873 18.7713 34.6146 18.5934C34.442 18.4155 34.2216 18.2912 33.98 18.2355L13.5112 13.5117L18.235 33.9805C18.2907 34.2221 18.415 34.4425 18.5929 34.6151C18.7708 34.7878 18.9948 34.9054 19.238 34.9539C19.4812 35.0023 19.7331 34.9795 19.9637 34.8882C20.1942 34.7969 20.3934 34.641 20.5375 34.4392Z" fill="#FFD98C"></path><path d="M34.0751 37.6413C33.3582 38.3389 32.3973 38.7293 31.397 38.7293C30.3966 38.7293 29.4358 38.3389 28.7189 37.6413L23.4826 32.4663L21.5539 35.165C21.2699 35.5626 20.8773 35.8698 20.423 36.0497C19.9688 36.2295 19.4723 36.2744 18.9931 36.179C18.514 36.0836 18.0726 35.8518 17.7219 35.5117C17.3713 35.1715 17.1263 34.7373 17.0164 34.2613L12.2926 13.7925C12.2447 13.5858 12.2502 13.3702 12.3086 13.1662C12.367 12.9622 12.4764 12.7764 12.6264 12.6263C12.7765 12.4763 12.9623 12.3669 13.1663 12.3085C13.3703 12.2501 13.5859 12.2446 13.7926 12.2925L34.2614 17.0175C34.7374 17.1271 35.1717 17.3719 35.512 17.7225C35.8523 18.073 36.0841 18.5144 36.1795 18.9935C36.275 19.4726 36.23 19.9691 36.0501 20.4233C35.8701 20.8775 35.5628 21.27 35.1651 21.5538L32.4614 23.54L37.6414 28.7188C38.3498 29.43 38.7476 30.393 38.7476 31.3969C38.7476 32.4008 38.3498 33.3637 37.6414 34.075L34.0751 37.6413ZM35.8751 30.4863L30.6951 25.3075C30.4344 25.047 30.2336 24.7328 30.1068 24.3868C29.9799 24.0407 29.9299 23.6712 29.9604 23.3039C29.9908 22.9366 30.101 22.5804 30.2831 22.26C30.4653 21.9396 30.7151 21.6628 31.0151 21.4488L33.6989 19.4488L15.1851 15.1763L19.5001 33.7275L19.5139 33.7113L21.4414 31.0125C21.6555 30.7124 21.9325 30.4626 22.253 30.2805C22.5735 30.0983 22.9298 29.9882 23.2972 29.9577C23.6646 29.9272 24.0342 29.9772 24.3803 30.1041C24.7264 30.231 25.0407 30.4318 25.3014 30.6925L30.4864 35.875C30.728 36.1163 31.0555 36.2518 31.397 36.2518C31.7385 36.2518 32.066 36.1163 32.3076 35.875L35.8751 32.3075C36.1161 32.0657 36.2514 31.7383 36.2514 31.3969C36.2514 31.0555 36.1161 30.728 35.8751 30.4863ZM8.14636 9.385C7.98292 9.38706 7.82069 9.35675 7.66901 9.29583C7.51733 9.2349 7.37921 9.14455 7.26261 9.03L4.58011 6.3475C4.35242 6.11175 4.22643 5.796 4.22927 5.46825C4.23212 5.1405 4.36358 4.82699 4.59534 4.59523C4.8271 4.36347 5.14062 4.23201 5.46836 4.22916C5.79611 4.22631 6.11186 4.3523 6.34761 4.58L9.03012 7.2625C9.20107 7.43787 9.31674 7.65959 9.36277 7.90013C9.4088 8.14068 9.38315 8.38944 9.28901 8.61553C9.19487 8.84162 9.03639 9.03508 8.83325 9.17188C8.63011 9.30867 8.39126 9.38278 8.14636 9.385ZM17.9726 9.03C17.7362 9.26044 17.419 9.3894 17.0889 9.3894C16.7587 9.3894 16.4416 9.26044 16.2051 9.03C15.9708 8.79559 15.8391 8.47771 15.8391 8.14625C15.8391 7.8148 15.9708 7.49691 16.2051 7.2625L18.8876 4.58C19.0029 4.46061 19.1409 4.36538 19.2934 4.29987C19.4459 4.23436 19.6099 4.19988 19.7759 4.19844C19.9418 4.197 20.1064 4.22862 20.2601 4.29147C20.4137 4.35432 20.5532 4.44714 20.6706 4.56451C20.788 4.68187 20.8808 4.82144 20.9436 4.97506C21.0065 5.12868 21.0381 5.29328 21.0367 5.45925C21.0352 5.62523 21.0008 5.78925 20.9352 5.94176C20.8697 6.09426 20.7745 6.23219 20.6551 6.3475L17.9726 9.03ZM6.34761 20.655C6.11146 20.886 5.79423 21.0154 5.46386 21.0154C5.1335 21.0154 4.81627 20.886 4.58011 20.655C4.34578 20.4206 4.21413 20.1027 4.21413 19.7713C4.21413 19.4398 4.34578 19.1219 4.58011 18.8875L7.26261 16.205C7.37792 16.0856 7.51585 15.9904 7.66836 15.9249C7.82086 15.8594 7.98489 15.8249 8.15086 15.8234C8.31684 15.822 8.48144 15.8536 8.63506 15.9165C8.78868 15.9793 8.92824 16.0721 9.04561 16.1895C9.16297 16.3069 9.25579 16.4464 9.31864 16.6001C9.38149 16.7537 9.41312 16.9183 9.41168 17.0843C9.41024 17.2502 9.37575 17.4143 9.31024 17.5668C9.24473 17.7193 9.1495 17.8572 9.03012 17.9725L6.34761 20.655ZM12.6176 7.54375C12.2861 7.54375 11.9682 7.41205 11.7337 7.17763C11.4993 6.94321 11.3676 6.62527 11.3676 6.29375V2.5C11.3676 2.16848 11.4993 1.85054 11.7337 1.61612C11.9682 1.3817 12.2861 1.25 12.6176 1.25C12.9491 1.25 13.2671 1.3817 13.5015 1.61612C13.7359 1.85054 13.8676 2.16848 13.8676 2.5V6.29375C13.8676 6.62527 13.7359 6.94321 13.5015 7.17763C13.2671 7.41205 12.9491 7.54375 12.6176 7.54375ZM2.50011 11.3675H6.29387C6.62539 11.3675 6.94333 11.4992 7.17775 11.7336C7.41217 11.968 7.54387 12.286 7.54387 12.6175C7.54387 12.949 7.41217 13.267 7.17775 13.5014C6.94333 13.7358 6.62539 13.8675 6.29387 13.8675H2.50011C2.16859 13.8675 1.85065 13.7358 1.61623 13.5014C1.38181 13.267 1.25011 12.949 1.25011 12.6175C1.25011 12.286 1.38181 11.968 1.61623 11.7336C1.85065 11.4992 2.16859 11.3675 2.50011 11.3675Z" fill="#272727"></path></svg> <!--'end_frame_cache_Zg1Ab0'--> Сама идея «электричества жизни» не нова. В конце XVIII века итальянский врач Луиджи Гальвани потряс научный мир опытами с лягушачьими лапками, которые дергались от разряда при контакте с металлом. Он решил, что в живых организмах есть особый вид электричества. Позднее детали этой картины оказались не такими, как представлял Гальвани, но в одном он попал в точку: практически каждая клетка тратит огромную долю энергии на поддержание разности напряжений между внутренней и внешней средой.
Эта разность называется мембранным потенциалом . Удобная аналогия - плотина: вода стремится вниз, а сооружение удерживает запас энергии, не давая потоку свободно идти. В клетке вместо воды выступают заряды, а вместо плотины - мембрана. Электрохимические силы тянут ионы в сторону, где им выгоднее оказаться, и если поток ограничен, накапливается потенциальная энергия. Сетевой ток в розетке - это движение электронов, а в живой ткани главными носителями заряда становятся ионы, то есть атомы или молекулы с лишним или недостающим электроном.
Ионы не проходят через мембрану где угодно. Для этого нужны белковые каналы и насосы. Насосы расходуют химическую энергию клетки, чтобы как бы поднимать ионы против естественного направления потока - примерно как гидроэлектростанция может перекачивать воду обратно в водохранилище, если есть избыток энергии. Каналы, наоборот, открывают путь ионам, позволяя току течь. Контролируя работу этих молекулярных «шлюзов», клетка держит свою разность напряжений в нужном диапазоне, а если потенциал утекает, она восстанавливает его, снова расходуя энергию.
Нейроны превратили этот универсальный механизм в язык передачи информации. Они управляют мембранным потенциалом соседей с помощью нейромедиаторов, которые открывают или закрывают ионные каналы. Если сумма воздействий толкает потенциал за порог, клетка запускает быстрый импульс: натриевые каналы распахиваются, положительные ионы натрия лавиной входят внутрь, напряжение стремительно меняется, и волна бежит вдоль аксона. В мышцах электрический импульс тоже служит «пусковой кнопкой» для сокращения; поэтому лягушачьи лапки Гальвани дергались, а разряд может перезапустить остановившееся сердце. При этом почти все ткани поддерживают мембранные потенциалы, но их роль долго оставалась гораздо менее понятной, чем в нейрофизиологии. Эту область часто называют биоэлектричеством - собирательным термином для электрической активности в организмах вне мозга и сердца.
На этом фоне особенно интересны эпителиальные ткани. Они кажутся простыми: формируют барьеры, держат форму, защищают. Тем не менее именно эти слои, по оценке исследователей, тратят около 25% доступной энергии на поддержание напряжения мембраны в диапазоне примерно от -30 до -50 милливольт. И все же ученые, работающие с эпителием, традиционно фокусировались на механике, химических сигналах и регуляции генов, оставляя токи и напряжения в стороне.
Джоди Розенблатт, биолог эпителиальных клеток из Королевского колледжа Лондона и Института Фрэнсиса Крика, уже около 25 лет разбирает экструзию по деталям. Для эпителия точный баланс особенно важен: такие клетки делятся быстро, и даже небольшой перекос между делением и гибелью способен привести либо к опухоли, либо к повреждению барьера. Неконтролируемое размножение может вылиться в рак, а чрезмерное «выбраковывание», которое упоминают, например, в контексте астмы, делает ткань слишком проницаемой и уязвимой.
Примерно 14 лет назад команда Розенблатт показала, что при скученности живые эпителиальные клетки буквально выдавливаются из слоя вверх и наружу. Возник логичный вопрос: почему выталкивается именно эта клетка, а не соседняя. В более ранних наблюдениях исследователи видели характерный предвестник экструзии: часть клеток заранее теряла воду и сморщивалась, напоминая изюм. Само сжатие выглядело как запуск механизма, но причина первого «усыхания» оставалась неизвестной.
Дальнейшие эксперименты подсказали, куда смотреть. Ученые смогли предотвратить сморщивание, заблокировав ионный канал, чувствительный к давлению. Такой канал открывается при сжатии мембраны. После этого команда стала проверять и другие каналы, чтобы понять , какие из них влияют на экструзию. Результатов оказалось неожиданно много. Среди попаданий выделился калиевый канал, управляемый напряжением - похожие молекулы открываются во время нервного импульса. Для эпителия это выглядело странно, и именно поэтому исследователи решили копать глубже.
Чтобы увидеть электрические изменения напрямую, они использовали специальные красители, показывающие напряжение на мембране. Как оказалось, именно те клетки, которым предстоит экструзия, теряют мембранный потенциал примерно за пять минут до сморщивания и выталкивания. То есть стартовый сигнал в этой истории электрический, а не механический или химический.
Дальнейшие события зависят от того, как эпителий реагирует на тесноту. Нейроны обмениваются сигналами через нейромедиаторы, а эпителиальные клетки взаимодействуют иначе — через физическое давление. По мере уплотнения слоя клетки все сильнее сдавливают друг друга. Это давление открывает механочувствительные ионные каналы, и через мембрану начинает проходить положительный заряд: прежде всего внутрь клетки устремляются ионы натрия.
Здоровая клетка справляется с этой нагрузкой. Она тратит химическую энергию, включает насосы, выкачивает натрий наружу и возвращает электрическое напряжение к нормальному уровню. Ослабленная или энергетически истощенная клетка делает это хуже. Ее мембранный потенциал начинает падать, и в результате открываются напряжение-зависимые каналы.
После этого вода выходит из клетки почти мгновенно — в микроскоп этот процесс выглядит как резкая вспышка. Если клетка теряет 17% объема или больше, ткань «помечает» ее как кандидата на удаление. Согласно рабочей гипотезе авторов, само усыхание запускает биохимическую цепочку, которая включает моторные белки, а они уже физически выталкивают клетку из эпителиального слоя.
В итоге получается простой, но сильный принцип: поток зарядов через мембрану помогает ткани «прощупывать» состояние отдельных клеток и выявлять тех, кто хуже всех держит нагрузку. Розенблатт описывает это как эффект сообщества: клетки постоянно давят друг на друга, и в этом «тесном контакте» одновременно идет проверка на выносливость.
Такая логика хорошо знакома тем, кто изучает электрические сигналы не только у животных. Биофизик Гюрёл Суэл из Калифорнийского университета в Сан-Диего исследует токи в бактериальных биопленках - сообществах, где отдельные бактерии могут жить самостоятельно, но вместе ведут себя как коллектив. Он отмечает, что механизмы, описанные для человеческих тканей, перекликаются с тем, что уже известно по микробам. По его оценке, электрические решения выглядят для эволюции удобным способом быстро интегрировать множество сигналов и согласовать поведение группы клеток.
Суэл обращает внимание на скорость: переключение мембранного потенциала занимает доли секунды, тогда как изменения экспрессии генов или рост производства белков требуют минут или часов. Поэтому электрические сигналы подходят для задач, где нужно реагировать мгновенно. Он сравнивает потенциал с быстрым «снимком состояния» клетки: по нему почти сразу видно, все ли в порядке.
В более ранних работах Суэл и его коллеги показали, что бактерии в составе биопленок способны резко менять мембранный потенциал, создавая электрические импульсы, по своей логике напоминающие нейронные. Позже команда описала, как такие сообщества с помощью этих сигналов согласуют свои действия, сдерживают чрезмерный рост, привлекают свободноплавающие бактерии и даже координируют использование ограниченных ресурсов. В отдельных случаях электрическая связь позволяет двум биопленкам поочередно получать доступ к пище, снижая риск истощения общего запаса.
У многоклеточных животных электрические механизмы тоже всплывают в самых разных местах. Чжан изучает биоэлектрические сигналы у рыбок данио и связывает мутации в одном ионном канале с развитием необычно длинных хвостов - это намекает, что электрическая регуляция может участвовать в «установке» размеров тканей в эмбрионе. Майкл Левин из Университета Тафтса показывал, что блокировка каналов и изменение мембранных потенциалов у развивающихся эмбрионов червей способно приводить к разным планам строения тела при одинаковых генах. Элиас Баррига из Дрезденского технического университета вместе с коллегами обнаружил , что эмбрионы лягушек создают естественные электрические поля, которые направляют миграцию определенных стволовых клеток туда, где им положено оказаться.
На этом фоне все чаще звучит мысль, что сбои в биоэлектрических процессах могут быть недооцененной причиной болезней. Известно, что опухолевые клетки нередко имеют иные мембранные потенциалы, чем здоровые. Левин выдвигал идею, что часть онкологических процессов может быть связана с «поломкой многоклеточности»: клетки перестают координироваться электрическими сигналами и больше не получают или не передают сообщения вроде «мне плохо, меня нужно удалить», что открывает путь неконтролируемому росту и, в конечном счете, опухоли.
В конце история уходит еще глубже - к происхождению жизни. Суэл считает, что электрические механизмы столь древние, что могли возникнуть почти одновременно с первыми живыми системами. Действительно, в каждой клетке токи участвуют в работе молекулярных «турбин», которые синтезируют АТФ - универсальную энергетическую валюту. Один из сценариев появления жизни связывает старт с глубоководными гидротермальными источниками, где естественные потоки положительно заряженных протонов могли играть роль первичного аналога мембранного потенциала и подпитывать предбиологические реакции. Даже если конкретный «искровой» сценарий окажется не единственным, повсеместность биоэлектричества намекает на очень глубокие эволюционные корни, которые наука только начинает раскапывать.
Новая работа добавляет к этой картине еще один кусок: электрические параметры мембраны в эпителии могут запускать экструзию раньше всех остальных сигналов и помогать ткани поддерживать «гигиену» без катастроф, столкновений и драматических событий. Вопросов после этого меньше не стало, но теперь у биологов появился более четкий механизм, который можно проверять, расширять и связывать с конкретными заболеваниями, когда баланс роста и удаления клеток начинает давать сбой.
Мы привыкли думать, что электричество - это история про мозг, нервы и, в лучшем случае, сердце. Остальные ткани в этом представлении выглядят как «просто мясо», которое живет химией и механикой. Новая работа в Nature аккуратно ломает этот стереотип: защитные эпителиальные ткани, которые образуют кожу и выстилают внутренние поверхности органов, используют электрические сигналы как способ коллективного контроля качества. Речь не о "мышлении клеток", а о том, как целый слой решает, кого пора убрать, чтобы ткань оставалась здоровой.
Ключевой процесс, о котором идет речь, называется экструзия. Это механизм, при котором эпителий выталкивает наружу отдельную клетку - обычно живую, но ослабленную или не тянущую общие нагрузки. Снаружи это выглядит почти жестоко, однако именно так ткань поддерживает баланс между ростом и обновлением. Когда экструзия работает неправильно, последствия оказываются совсем не академическими: сбои связывают с заболеваниями, включая рак и астму. При этом оставалось непонятно самое важное - по каким признакам слой выбирает кандидата на удаление.
Авторы показали, что сигналом к такому отбору становится изменение электрических параметров мембраны. По мере роста эпителия клетки плотнее упаковываются, давление между ними возрастает, а вместе с этим увеличивается ток, проходящий через мембрану каждой клетки. Здоровая клетка способна компенсировать такие изменения, тратя энергию на поддержание своего нормального электрического состояния. Ослабленная, старая или испытывающая энергетический голод с этой задачей справляется хуже. В итоге запускается цепочка событий, которая приводит к быстрому выходу воды, заметному сморщиванию и последующему выталкиванию из слоя. В таком сценарии электрические параметры работают как встроенный «медосмотр» на уровне ткани и помогают ей вовремя подрезать слабое звено.
Генетик Гуан Цзюнь Чжан из Университета Пердью, который изучает электрические сигналы в развитии рыбок данио и не участвовал в работе, обратил внимание на один момент: именно сдвиг электрических характеристик оказался самым ранним событием в цепочке, ведущей к экструзии. Наблюдение хорошо укладывается в более широкую тенденцию - биологи все чаще находят электрические механизмы далеко за пределами нервной системы.
<!--'start_frame_cache_Zg1Ab0'--><div class="banner-detailed"><div class="banner-detailed__shell"><div class="banner-detailed__title">Только проверенные факты, влияющие на ваше будущее. <span>Подпишитесь на нас</span><div class="banner-detailed__arrow"><svg viewBox="0 0 40 40" fill="none" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"><path d="M20.5375 34.4392L22.465 31.7392C22.5739 31.5872 22.7145 31.4607 22.8772 31.3684C23.0399 31.2762 23.2207 31.2205 23.407 31.2052C23.5934 31.1898 23.7809 31.2152 23.9564 31.2796C24.132 31.344 24.2915 31.4458 24.4237 31.578L29.6025 36.758C30.0787 37.2333 30.724 37.5002 31.3969 37.5002C32.0697 37.5002 32.715 37.2333 33.1912 36.758L36.7575 33.1917C37.2328 32.7155 37.4998 32.0702 37.4998 31.3973C37.4998 30.7245 37.2328 30.0792 36.7575 29.603L31.5775 24.4242C31.4453 24.2919 31.3435 24.1325 31.2791 23.9569C31.2147 23.7814 31.1893 23.5939 31.2047 23.4075C31.22 23.2211 31.2757 23.0404 31.368 22.8777C31.4602 22.715 31.5867 22.5743 31.7387 22.4655L34.4387 20.538C34.6405 20.3939 34.7965 20.1947 34.8878 19.9641C34.9791 19.7336 35.0018 19.4816 34.9534 19.2385C34.9049 18.9953 34.7873 18.7713 34.6146 18.5934C34.442 18.4155 34.2216 18.2912 33.98 18.2355L13.5112 13.5117L18.235 33.9805C18.2907 34.2221 18.415 34.4425 18.5929 34.6151C18.7708 34.7878 18.9948 34.9054 19.238 34.9539C19.4812 35.0023 19.7331 34.9795 19.9637 34.8882C20.1942 34.7969 20.3934 34.641 20.5375 34.4392Z" fill="#FFD98C"></path><path d="M34.0751 37.6413C33.3582 38.3389 32.3973 38.7293 31.397 38.7293C30.3966 38.7293 29.4358 38.3389 28.7189 37.6413L23.4826 32.4663L21.5539 35.165C21.2699 35.5626 20.8773 35.8698 20.423 36.0497C19.9688 36.2295 19.4723 36.2744 18.9931 36.179C18.514 36.0836 18.0726 35.8518 17.7219 35.5117C17.3713 35.1715 17.1263 34.7373 17.0164 34.2613L12.2926 13.7925C12.2447 13.5858 12.2502 13.3702 12.3086 13.1662C12.367 12.9622 12.4764 12.7764 12.6264 12.6263C12.7765 12.4763 12.9623 12.3669 13.1663 12.3085C13.3703 12.2501 13.5859 12.2446 13.7926 12.2925L34.2614 17.0175C34.7374 17.1271 35.1717 17.3719 35.512 17.7225C35.8523 18.073 36.0841 18.5144 36.1795 18.9935C36.275 19.4726 36.23 19.9691 36.0501 20.4233C35.8701 20.8775 35.5628 21.27 35.1651 21.5538L32.4614 23.54L37.6414 28.7188C38.3498 29.43 38.7476 30.393 38.7476 31.3969C38.7476 32.4008 38.3498 33.3637 37.6414 34.075L34.0751 37.6413ZM35.8751 30.4863L30.6951 25.3075C30.4344 25.047 30.2336 24.7328 30.1068 24.3868C29.9799 24.0407 29.9299 23.6712 29.9604 23.3039C29.9908 22.9366 30.101 22.5804 30.2831 22.26C30.4653 21.9396 30.7151 21.6628 31.0151 21.4488L33.6989 19.4488L15.1851 15.1763L19.5001 33.7275L19.5139 33.7113L21.4414 31.0125C21.6555 30.7124 21.9325 30.4626 22.253 30.2805C22.5735 30.0983 22.9298 29.9882 23.2972 29.9577C23.6646 29.9272 24.0342 29.9772 24.3803 30.1041C24.7264 30.231 25.0407 30.4318 25.3014 30.6925L30.4864 35.875C30.728 36.1163 31.0555 36.2518 31.397 36.2518C31.7385 36.2518 32.066 36.1163 32.3076 35.875L35.8751 32.3075C36.1161 32.0657 36.2514 31.7383 36.2514 31.3969C36.2514 31.0555 36.1161 30.728 35.8751 30.4863ZM8.14636 9.385C7.98292 9.38706 7.82069 9.35675 7.66901 9.29583C7.51733 9.2349 7.37921 9.14455 7.26261 9.03L4.58011 6.3475C4.35242 6.11175 4.22643 5.796 4.22927 5.46825C4.23212 5.1405 4.36358 4.82699 4.59534 4.59523C4.8271 4.36347 5.14062 4.23201 5.46836 4.22916C5.79611 4.22631 6.11186 4.3523 6.34761 4.58L9.03012 7.2625C9.20107 7.43787 9.31674 7.65959 9.36277 7.90013C9.4088 8.14068 9.38315 8.38944 9.28901 8.61553C9.19487 8.84162 9.03639 9.03508 8.83325 9.17188C8.63011 9.30867 8.39126 9.38278 8.14636 9.385ZM17.9726 9.03C17.7362 9.26044 17.419 9.3894 17.0889 9.3894C16.7587 9.3894 16.4416 9.26044 16.2051 9.03C15.9708 8.79559 15.8391 8.47771 15.8391 8.14625C15.8391 7.8148 15.9708 7.49691 16.2051 7.2625L18.8876 4.58C19.0029 4.46061 19.1409 4.36538 19.2934 4.29987C19.4459 4.23436 19.6099 4.19988 19.7759 4.19844C19.9418 4.197 20.1064 4.22862 20.2601 4.29147C20.4137 4.35432 20.5532 4.44714 20.6706 4.56451C20.788 4.68187 20.8808 4.82144 20.9436 4.97506C21.0065 5.12868 21.0381 5.29328 21.0367 5.45925C21.0352 5.62523 21.0008 5.78925 20.9352 5.94176C20.8697 6.09426 20.7745 6.23219 20.6551 6.3475L17.9726 9.03ZM6.34761 20.655C6.11146 20.886 5.79423 21.0154 5.46386 21.0154C5.1335 21.0154 4.81627 20.886 4.58011 20.655C4.34578 20.4206 4.21413 20.1027 4.21413 19.7713C4.21413 19.4398 4.34578 19.1219 4.58011 18.8875L7.26261 16.205C7.37792 16.0856 7.51585 15.9904 7.66836 15.9249C7.82086 15.8594 7.98489 15.8249 8.15086 15.8234C8.31684 15.822 8.48144 15.8536 8.63506 15.9165C8.78868 15.9793 8.92824 16.0721 9.04561 16.1895C9.16297 16.3069 9.25579 16.4464 9.31864 16.6001C9.38149 16.7537 9.41312 16.9183 9.41168 17.0843C9.41024 17.2502 9.37575 17.4143 9.31024 17.5668C9.24473 17.7193 9.1495 17.8572 9.03012 17.9725L6.34761 20.655ZM12.6176 7.54375C12.2861 7.54375 11.9682 7.41205 11.7337 7.17763C11.4993 6.94321 11.3676 6.62527 11.3676 6.29375V2.5C11.3676 2.16848 11.4993 1.85054 11.7337 1.61612C11.9682 1.3817 12.2861 1.25 12.6176 1.25C12.9491 1.25 13.2671 1.3817 13.5015 1.61612C13.7359 1.85054 13.8676 2.16848 13.8676 2.5V6.29375C13.8676 6.62527 13.7359 6.94321 13.5015 7.17763C13.2671 7.41205 12.9491 7.54375 12.6176 7.54375ZM2.50011 11.3675H6.29387C6.62539 11.3675 6.94333 11.4992 7.17775 11.7336C7.41217 11.968 7.54387 12.286 7.54387 12.6175C7.54387 12.949 7.41217 13.267 7.17775 13.5014C6.94333 13.7358 6.62539 13.8675 6.29387 13.8675H2.50011C2.16859 13.8675 1.85065 13.7358 1.61623 13.5014C1.38181 13.267 1.25011 12.949 1.25011 12.6175C1.25011 12.286 1.38181 11.968 1.61623 11.7336C1.85065 11.4992 2.16859 11.3675 2.50011 11.3675Z" fill="#272727"></path></svg> <!--'end_frame_cache_Zg1Ab0'--> Сама идея «электричества жизни» не нова. В конце XVIII века итальянский врач Луиджи Гальвани потряс научный мир опытами с лягушачьими лапками, которые дергались от разряда при контакте с металлом. Он решил, что в живых организмах есть особый вид электричества. Позднее детали этой картины оказались не такими, как представлял Гальвани, но в одном он попал в точку: практически каждая клетка тратит огромную долю энергии на поддержание разности напряжений между внутренней и внешней средой.
Эта разность называется мембранным потенциалом . Удобная аналогия - плотина: вода стремится вниз, а сооружение удерживает запас энергии, не давая потоку свободно идти. В клетке вместо воды выступают заряды, а вместо плотины - мембрана. Электрохимические силы тянут ионы в сторону, где им выгоднее оказаться, и если поток ограничен, накапливается потенциальная энергия. Сетевой ток в розетке - это движение электронов, а в живой ткани главными носителями заряда становятся ионы, то есть атомы или молекулы с лишним или недостающим электроном.
Ионы не проходят через мембрану где угодно. Для этого нужны белковые каналы и насосы. Насосы расходуют химическую энергию клетки, чтобы как бы поднимать ионы против естественного направления потока - примерно как гидроэлектростанция может перекачивать воду обратно в водохранилище, если есть избыток энергии. Каналы, наоборот, открывают путь ионам, позволяя току течь. Контролируя работу этих молекулярных «шлюзов», клетка держит свою разность напряжений в нужном диапазоне, а если потенциал утекает, она восстанавливает его, снова расходуя энергию.
Нейроны превратили этот универсальный механизм в язык передачи информации. Они управляют мембранным потенциалом соседей с помощью нейромедиаторов, которые открывают или закрывают ионные каналы. Если сумма воздействий толкает потенциал за порог, клетка запускает быстрый импульс: натриевые каналы распахиваются, положительные ионы натрия лавиной входят внутрь, напряжение стремительно меняется, и волна бежит вдоль аксона. В мышцах электрический импульс тоже служит «пусковой кнопкой» для сокращения; поэтому лягушачьи лапки Гальвани дергались, а разряд может перезапустить остановившееся сердце. При этом почти все ткани поддерживают мембранные потенциалы, но их роль долго оставалась гораздо менее понятной, чем в нейрофизиологии. Эту область часто называют биоэлектричеством - собирательным термином для электрической активности в организмах вне мозга и сердца.
На этом фоне особенно интересны эпителиальные ткани. Они кажутся простыми: формируют барьеры, держат форму, защищают. Тем не менее именно эти слои, по оценке исследователей, тратят около 25% доступной энергии на поддержание напряжения мембраны в диапазоне примерно от -30 до -50 милливольт. И все же ученые, работающие с эпителием, традиционно фокусировались на механике, химических сигналах и регуляции генов, оставляя токи и напряжения в стороне.
Джоди Розенблатт, биолог эпителиальных клеток из Королевского колледжа Лондона и Института Фрэнсиса Крика, уже около 25 лет разбирает экструзию по деталям. Для эпителия точный баланс особенно важен: такие клетки делятся быстро, и даже небольшой перекос между делением и гибелью способен привести либо к опухоли, либо к повреждению барьера. Неконтролируемое размножение может вылиться в рак, а чрезмерное «выбраковывание», которое упоминают, например, в контексте астмы, делает ткань слишком проницаемой и уязвимой.
Примерно 14 лет назад команда Розенблатт показала, что при скученности живые эпителиальные клетки буквально выдавливаются из слоя вверх и наружу. Возник логичный вопрос: почему выталкивается именно эта клетка, а не соседняя. В более ранних наблюдениях исследователи видели характерный предвестник экструзии: часть клеток заранее теряла воду и сморщивалась, напоминая изюм. Само сжатие выглядело как запуск механизма, но причина первого «усыхания» оставалась неизвестной.
Дальнейшие эксперименты подсказали, куда смотреть. Ученые смогли предотвратить сморщивание, заблокировав ионный канал, чувствительный к давлению. Такой канал открывается при сжатии мембраны. После этого команда стала проверять и другие каналы, чтобы понять , какие из них влияют на экструзию. Результатов оказалось неожиданно много. Среди попаданий выделился калиевый канал, управляемый напряжением - похожие молекулы открываются во время нервного импульса. Для эпителия это выглядело странно, и именно поэтому исследователи решили копать глубже.
Чтобы увидеть электрические изменения напрямую, они использовали специальные красители, показывающие напряжение на мембране. Как оказалось, именно те клетки, которым предстоит экструзия, теряют мембранный потенциал примерно за пять минут до сморщивания и выталкивания. То есть стартовый сигнал в этой истории электрический, а не механический или химический.
Дальнейшие события зависят от того, как эпителий реагирует на тесноту. Нейроны обмениваются сигналами через нейромедиаторы, а эпителиальные клетки взаимодействуют иначе — через физическое давление. По мере уплотнения слоя клетки все сильнее сдавливают друг друга. Это давление открывает механочувствительные ионные каналы, и через мембрану начинает проходить положительный заряд: прежде всего внутрь клетки устремляются ионы натрия.
Здоровая клетка справляется с этой нагрузкой. Она тратит химическую энергию, включает насосы, выкачивает натрий наружу и возвращает электрическое напряжение к нормальному уровню. Ослабленная или энергетически истощенная клетка делает это хуже. Ее мембранный потенциал начинает падать, и в результате открываются напряжение-зависимые каналы.
После этого вода выходит из клетки почти мгновенно — в микроскоп этот процесс выглядит как резкая вспышка. Если клетка теряет 17% объема или больше, ткань «помечает» ее как кандидата на удаление. Согласно рабочей гипотезе авторов, само усыхание запускает биохимическую цепочку, которая включает моторные белки, а они уже физически выталкивают клетку из эпителиального слоя.
В итоге получается простой, но сильный принцип: поток зарядов через мембрану помогает ткани «прощупывать» состояние отдельных клеток и выявлять тех, кто хуже всех держит нагрузку. Розенблатт описывает это как эффект сообщества: клетки постоянно давят друг на друга, и в этом «тесном контакте» одновременно идет проверка на выносливость.
Такая логика хорошо знакома тем, кто изучает электрические сигналы не только у животных. Биофизик Гюрёл Суэл из Калифорнийского университета в Сан-Диего исследует токи в бактериальных биопленках - сообществах, где отдельные бактерии могут жить самостоятельно, но вместе ведут себя как коллектив. Он отмечает, что механизмы, описанные для человеческих тканей, перекликаются с тем, что уже известно по микробам. По его оценке, электрические решения выглядят для эволюции удобным способом быстро интегрировать множество сигналов и согласовать поведение группы клеток.
Суэл обращает внимание на скорость: переключение мембранного потенциала занимает доли секунды, тогда как изменения экспрессии генов или рост производства белков требуют минут или часов. Поэтому электрические сигналы подходят для задач, где нужно реагировать мгновенно. Он сравнивает потенциал с быстрым «снимком состояния» клетки: по нему почти сразу видно, все ли в порядке.
В более ранних работах Суэл и его коллеги показали, что бактерии в составе биопленок способны резко менять мембранный потенциал, создавая электрические импульсы, по своей логике напоминающие нейронные. Позже команда описала, как такие сообщества с помощью этих сигналов согласуют свои действия, сдерживают чрезмерный рост, привлекают свободноплавающие бактерии и даже координируют использование ограниченных ресурсов. В отдельных случаях электрическая связь позволяет двум биопленкам поочередно получать доступ к пище, снижая риск истощения общего запаса.
У многоклеточных животных электрические механизмы тоже всплывают в самых разных местах. Чжан изучает биоэлектрические сигналы у рыбок данио и связывает мутации в одном ионном канале с развитием необычно длинных хвостов - это намекает, что электрическая регуляция может участвовать в «установке» размеров тканей в эмбрионе. Майкл Левин из Университета Тафтса показывал, что блокировка каналов и изменение мембранных потенциалов у развивающихся эмбрионов червей способно приводить к разным планам строения тела при одинаковых генах. Элиас Баррига из Дрезденского технического университета вместе с коллегами обнаружил , что эмбрионы лягушек создают естественные электрические поля, которые направляют миграцию определенных стволовых клеток туда, где им положено оказаться.
На этом фоне все чаще звучит мысль, что сбои в биоэлектрических процессах могут быть недооцененной причиной болезней. Известно, что опухолевые клетки нередко имеют иные мембранные потенциалы, чем здоровые. Левин выдвигал идею, что часть онкологических процессов может быть связана с «поломкой многоклеточности»: клетки перестают координироваться электрическими сигналами и больше не получают или не передают сообщения вроде «мне плохо, меня нужно удалить», что открывает путь неконтролируемому росту и, в конечном счете, опухоли.
В конце история уходит еще глубже - к происхождению жизни. Суэл считает, что электрические механизмы столь древние, что могли возникнуть почти одновременно с первыми живыми системами. Действительно, в каждой клетке токи участвуют в работе молекулярных «турбин», которые синтезируют АТФ - универсальную энергетическую валюту. Один из сценариев появления жизни связывает старт с глубоководными гидротермальными источниками, где естественные потоки положительно заряженных протонов могли играть роль первичного аналога мембранного потенциала и подпитывать предбиологические реакции. Даже если конкретный «искровой» сценарий окажется не единственным, повсеместность биоэлектричества намекает на очень глубокие эволюционные корни, которые наука только начинает раскапывать.
Новая работа добавляет к этой картине еще один кусок: электрические параметры мембраны в эпителии могут запускать экструзию раньше всех остальных сигналов и помогать ткани поддерживать «гигиену» без катастроф, столкновений и драматических событий. Вопросов после этого меньше не стало, но теперь у биологов появился более четкий механизм, который можно проверять, расширять и связывать с конкретными заболеваниями, когда баланс роста и удаления клеток начинает давать сбой.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
