Современные люди существуют более 200 000 лет, и каждое новое поколение начинается с одной клетки — делящейся, меняющей форму и функции, организующейся в ткани, органы и конечности. С небольшими вариациями этот процесс повторялся миллиарды раз с поразительной точностью.
Исследователи из Тафтского университета стремятся понять код, который управляет отдельными клетками для создания архитектуры человека, и создать основу для регенеративной медицины. По мере того как они узнают больше об этом коде, они также изучают, как можно создавать живые структуры из человеческих клеток, которые имеют совершенно новые формы и возможности — без генетических манипуляций.
Чтобы расшифровать этот код, они взяли клетку из организма человека и позволили ей расти в новой среде, чтобы наблюдать, как действуют правила самоорганизации.
В 2023 году Майкл Левин, профессор биологии имени Ванневара Буша, и кандидат наук Гизем Гюмюская создали антроботов — крошечных многоклеточных организмов, выращенных из одной клетки трахеи человека и собранных в новые формы — сферические, продолговатые, покрытые ресничками на всей поверхности или на её части, способные плавать и восстанавливать «раны» в нейронных пластинах.
В своём новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Science, Гюмюская и Левин рассказывают, что происходит внутри клеток антроботов, когда они создают новую живую конструкцию.
Исследователи обнаружили, что человеческие клетки, освобождённые от своих эволюционных обязательств, возвращаются назад во времени, чтобы выразить как древние гены, которые общие с нашими предшественниками ещё со времён одноклеточных организмов, так и эмбриональные гены, включая те, которые направляют формирование симметрии, слоёв и свёртывание клеток и тканей.
С новой миссией по созданию крошечных ботов вместо целых людей клетки изменили экспрессию более чем 9 000 генов — почти половины генома — без каких-либо вмешательств, таких как схемы синтетической биологии или генная инженерия.
Понимание того, как человеческие клетки принимают новые формы, может пролить свет на болезни развития, такие как врождённые дефекты. Левин и его лаборатория хотят лучше понять правила самосборки, чтобы, возможно, однажды помочь предотвратить врождённые дефекты, вырастить новые ткани и органы для регенеративной медицины и создать крошечные функциональные организмы, подобные антроботам, из собственных клеток пациента, которые могли бы лечить болезни и восстанавливать повреждения, не вызывая реакции иммунной системы.
«Антроботы сделаны из клеток взрослого донора, поэтому было поразительно видеть, что эти клетки также экспрессируют эмбриональные гены», — сказала Гюмюская. Это включало гены, которые помогают осуществить переход эмбриональной мезодермы и эктодермы — процесс, в ходе которого клетки внешнего слоя создают средний слой, который в конечном итоге формирует внутренние ткани и органы, а также гены для создания переднезадних (голова-хвост) и дорсовентральных (спина-живот) моделей.
Не были задействованы эмбриональные гены, участвующие в формировании лево-правой симметрии — той, которая помогает создать зеркальную симметрию с руками, глазами, ногами, лёгкими и почками по обе стороны тела.
«Антроботы в основном сферические, поэтому на данный момент сложно сказать без дальнейшего изучения, какую роль каждый из этих эмбриональных генов сыграл в построении их тел», — говорит Левин.
Даже если исследователи разрежут антроботов ножом и вскроют рану, они демонстрируют своего рода функциональную память формы, которая позволяет им возвращаться к своей первоначальной форме.
Левин указывает, что эта новая модель иллюстрирует, что гены определяют аппаратное обеспечение клетки — создание рецепторов, ферментов, ионных насосов и многого другого, — в то время как эмерджентные особенности этого оборудования, такие как электрические поля, химические сигналы и биомеханические силы, испытываемые формирующимися тканями, являются программными инструкциями, которые направляют тело к его окончательной форме. Программное обеспечение, по его словам, может меняться в зависимости от начальных условий и окружающей среды, что, в свою очередь, влияет на аппаратное обеспечение.
Выявление биологического обратного отсчёта часов у антроботов основывалось на отслеживании накопления модификаций и повреждений ДНК по мере старения. Добавление химических групп метила к ДНК — это измеримая величина, которая способствует нашему «эпигенетическому возрасту», который может быть старше или моложе нашего хронологического возраста.
У одного донора для исследования антроботов был возраст 21 год, но эпигенетический возраст его клеток составлял 25 лет. Примечательно, что когда клетки использовали для выращивания антроботов, их эпигенетический возраст снизился до 18,7 лет. Антроботы были биологически на 25% моложе своих клеток-прародителей.
«Тот факт, что эти боты становятся биологически моложе, чем взрослые клетки, из которых они сделаны, говорит о том, что процесс организации в новую форму сам по себе может сбросить часы старения клеток — без какого-либо генетического перепрограммирования», — говорит Гюмюская.
Левин выдвинул гипотезу о настройке биологических часов. «Я думаю, что коллективы клеток по своей сути являются агентами обработки информации», — сказал он. «Активация генов развития, физические силы от их новой формы и другие аспекты их самоорганизации могут интерпретироваться клетками как эмбриогенез, что противоречит их фактическому возрасту. Поэтому они в конечном итоге обращают вспять некоторые маркеры старения ДНК, чтобы соответствовать своему текущему состоянию. Я называю это гипотезой «свидетельства возраста».
Что именно является сигналом, который убеждает клетки откатить эпигенетические часы антроботов? Можно ли их использовать для омоложения тканей в нашем собственном организме? «Мы работаем над этим», — говорит Левин.