Tvorba malých živých robotů může resetovat hodiny buněčného stárnutí

Moderní lidé existovali více než 200 000 let a každá nová generace začala jediným buňkami, měnícím se tvaru a funkcí, organizováním do tkání, orgánů a končetin. S mírnými variacemi se tento proces opakoval miliardykrát s pozoruhodnou věrností stejného plánu těla.

Vědci z Tufts se snažili porozumět kódu, který vede jednotlivé buňky, aby vytvořili architekturu lidské bytosti a vytvořili základ pro regenerativní medicínu. Když se dozví více o tomto kódu, také se dívají na to, jak budovat živé struktury z lidských buněk, které mají zcela nové formy a schopnosti-bez genetické manipulace.

Aby tento kód dešifrovali, vzali buňku z lidského těla a dovolili jí růst v novém prostředí, aby pozorovali, jak se hrají pravidla samoorganizace.

V roce 2023, Michael Levin, profesor biologie Vannevar Bush a poté Ph.D. Kandidát Gizem Gumuskaya, AG23, vytvořil antroboty, malé multicelulární organismy pěstované z jediné lidské tracheální buňky a sestavily se do nových formy-sférických, podlouhlých, pokrytých cilií na všech nebo části svých povrchů, schopné plavat a opravit „zranění“ v nanesených neuronech.

V nové studii nedávno zveřejněné v časopise Pokročilá vědaGumuskaya a Levin odhalují, co se děje uvnitř antrobotských buněk, když vytvářejí nový živý konstrukt. Vědci zjistili, že lidské buňky osvobozené od svých evolučních závazků vrátí hodiny, aby vyjádřily oba starověké geny, které jsou sdíleny s našimi předchůdci již od nich, a embryonální geny, včetně těch, které řídí vznikající symetrii, vrstvení a skládání buněk a tkání.

S novou misí k vytvoření drobných robotů místo celých lidí změnily buňky expresi více než 9 000 genů-téměř poloviny genomu-bez jakýchkoli zásahů, jako jsou obvody syntetické biologie nebo genetické inženýrství.

Kromě vytváření nových syntetických konstruktů může pochopit, jak lidské buňky berou nové tvary, může svítit světlo do vývojových onemocnění, jako jsou vrozené vady. Levin a jeho laboratoř chtějí lépe porozumět pravidlům sebehodnocení, aby možná jednoho dne pomohli předcházet vrozeným vadám, pěstovat nové tkáně a orgány pro regenerativní medicínu a vytvářet malé funkční organismy, jako jsou antroboty z vlastních buněk pacienta, které by mohly léčit onemocnění a opravit poškození bez vyvolání imunitních reakcí.

Buněčný hardware a software

„Antroboty jsou vyrobeny z buněk dárců dospělých, takže bylo nápadné vidět, že tyto buňky také exprimují embryonální geny,“ řekl Gumuskaya.

To zahrnovalo geny, které pomáhají vytvořit embryonální mezoderm-ecoderm Transition-A, který bere vnější vrstva buňky k vytvoření střední vrstvy, která končí vytvářením vnitřních tkání a orgánů, jakož i geny pro výrobu předních a zadních ocasů) a hřbetní ventrální (zpět k břicho) vzorům.

Co se neobjevilo, byly embryonální geny zapojené do levého pravého vzorování-druh, který pomáhá vytvářet zrcadlovou symetrii s pažemi, očima, nohama, plícemi a ledvinami na obou stranách těla.

Antroboti jsou většinou sférií, takže v tomto okamžiku je těžké říci, aniž by se studoval, jakou roli každý z těchto embryonálních genů hrál ve konstrukci jejich těla. “

Michael Levin, profesor biologie Vannevar Bush

I když vědci vezmou nůž k antrobotům a vyříznou ránu, vykazují jakousi funkční tvarovou paměť, která jim umožňuje uzdravit se zpět do své původní podoby.

Levin poukazuje na to, že vznikající model tvorby těla naznačuje, že geny určují receptory tvorby buněk, enzymy, iontové čerpadly a více vznikající rysy tohoto hardwaru, jako jsou elektrická pole, chemické signály a biomechanické síly, které zažívají formy tkáně, jsou softwarové pokyny, které vedou tělo do jeho konečné formy. Software, jak říká, se může změnit v závislosti na počátečních podmínkách a prostředí, což zase ovlivňuje hardware.

Vědci také sledovali zvrácení biologických hodin v antrobotech na základě akumulace modifikací a poškození DNA, jak stárneme. Přidání methyl chemických skupin do DNA je měřitelné množství, které přispívá k našemu „epigenetickému věku“, které může být starší nebo mladší než náš chronologický věk. Jeden dárce pro studii Anthrobot byl 21 let, ale epigenetický věk jeho buněk byl 25 let. Pozoruhodně, když byly buňky použity k růstu antrobotů, jejich epigenetický věk klesl na 18,7 let. Antrobots byl biologicky o 25% mladší než jejich buňky původu.

„Skutečnost, že se tito roboti stávají biologicky mladšími než dospělé buňky, z nichž jsou vyrobeny, naznačuje, že proces organizace do nového tvaru může resetovat buněčné stárnutí hodiny-bez jakéhokoli genetického přeprogramování,“ říká Gumuskaya.

Levin nabídl hypotézu pro vytáčení biologických hodin zpět. „Myslím, že buněčné kolektivy jsou v zásadě agenti zpracování informací,“ řekl. „Aktivované vývojové geny, fyzické síly z jejich nového tvaru a dalších aspektů jejich samostatnosti mohou být interpretovány buňkami jako embryogenezi, která je v rozporu s jejich skutečným věkem. Nakonec se zvrátí některé z DNA markerů stárnutí, aby byly v souladu s jejich současným stavem.

Jaké přesně jsou narážky, které přesvědčují buňky, aby se vrátily epigenetické hodiny Anthrobota? Mohli by být využíváni k omlazení tkání v našich vlastních tělech? „Pracujeme na tom,“ říká Levin.