Лицо лягушки: Ионы-дирижеры
На примере обыкновенного головастика американские исследователи во главе с Дэни Адамс (Dany Adams) сумели показать, что биоэлектрические сигналы, ионные токи стимулируют группы клеток образовывать структуры, связанные различными трансмембранными электрическими потенциалами и значениями рН. Специальные красители позволили сделать этот процесс наглядным, ярко высветив отрицательно заряженные участки и оставив другие темными.
«Когда зародыш лягушки развивается, прежде чем у него появляется "лицо", на поверхности эмбриона можно разглядеть схему этого лица, как бы "нарисованную" ионами, — комментирует профессор Адамс, — Насколько мы знаем, нам впервые удалось показать существование таких структур для крупного участка эмбриона, а не отдельного органа. Никогда не могла бы представить себе ничего подобного».
Работа Дэни Адамс и ее коллег стала во многом плодом удивительного случая и исследовательской интуиции. Долгие годы группа занимается изучением влияния биоэлектрической активности на эмбриональное развитие, уделяя основное внимание моменту появления различий между правой и левой сторонами будущего организма. И едва ли не самым привычным инструментом работы для ученых стал простой микроскоп с подключенной к нему видеокамерой, передающей изображение на компьютер.
Осенью 2009 г., когда велась запись ранних стадий развития головастика, картинка получилась удивительно четкой и ясной, что не так-то просто проделать при фиксировании столь микроскопических превращений. Ученые решили продолжать запись дальше, всю ночь, хотя за это время головастик должен был развиться достаточно, чтобы начать двигаться, и, в конце концов, изображение неминуемо бы расплылось.
Вернувшись в лабораторию на следующий день, они действительно увидели, что картинка стала мутной, однако, просматривая сделанные за ночь записи, нашлось множество ранее неизученных «сцен», снятых в прекрасном качестве. По словам Дэни Адамс, «это было непохоже на все, что мне доводилось видеть прежде... я сразу сказала себе что-то вроде "вот то, чем я буду заниматься следующие 20 лет"". И действительно, съемка ясно продемонстрировала три этапа разворачивающейся электрической активности и связанного с ней развития эмбриона.
На первом этапе волна отрицательно заряженных ионов быстро наполняет весь эмбрион. Этот процесс сопровождается появлением ресничек, позволяющих зародышу двигаться. Затем проявляются уже более-менее определенные паттерны электрической активности, следом за которыми разворачиваются быстрые изменения активности соответствующих генов и появляются формы будущего «лица». На третьем этапе образуются четко обозначенные области отрицательного заряда, одни из них постепенно расширяются, другие сжимаются, причем паттерны, проявившиеся на предыдущем шаге, не затрагиваются. Сферический эмбрион начинает вытягиваться.
Разумеется, провели ученые и эксперимент по подавлению биоэлектрической активности, ингибировав деятельность белка дактина (ductin), составляющего часть сложной структуры, ответственной за перенос ионов водорода через мембрану. Эта попытка привела к развитию зародышей с серьезными нарушениями в формировании головы и ее органов. У одних появлялось два мозга вместо одного; у других зрительные нервы оказались слишком утолщены, тогда как обонятельных не развилось вовсе; у третьих мог отсутствовать нос или челюстной аппарат. Показано также, что ингибирование дактина действительно приводит к нарушениям в норме удивительно гармоничного «оркестра» паттернов электрической активности — и, видимо, как следствие, к аномалиям развития.
Авторы пишут: «Мы показали, что электрическая активность клеток является фундаментально важной для развития. Биоэлектрические сигналы регулируют целую последовательность событий, а не отдельные из них» И если принято считать, что определяющим в этом процессе является сбалансированная активность соответствующих генов, то для нормальной работы самих генов, видимо, и требуются электрические потенциалы, способные вовремя запустить в работу одни и остановить другие.
Между прочим, белковые структуры-каналы, ответственные за перекачку ионов через мембрану клетки, ответственны также и за... заражение клетки вирусом гриппа. Они же могут стать и его давно разыскиваемой «ахиллесовой пятой» — читайте: «Уязвимое место».
По пресс-релизу Tufts University