Nowe badanie znalazło związek między podziałem komórek i tempem wzrostu

Wyniki najnowszych badań odpowiadają na trudne pytanie, postawione już dawno temu: skąd komórka wie kiedy przejść przez cykl komórkowy. W prostych organizmach, takich jak drożdże, komórki dzielą się po osiągnięciu określonej wielkości. Jednakże ustalenie, czy odnosi się to do komórek ssaków było trudniejsze, częściowo dlatego, że nie było dobrego sposobu na zmierzenie wzrostu komórek ssaka w określonym czasie.

Obecnie zespół naukowców z MIT i Szkoły Medycznej w Harvard (HMS) dokładnie zmierzył tempo wzrostu pojedynczych komórek, co umożliwiło im udzielenie odpowiedzi na to fundamentalne pytanie.

W wydaniu internetowym Nature Methods naukowcy donoszą, że komórki ssaków nie dzielą się, kiedy osiągną określoną wielkość, lecz gdy tempo ich wzrostu dojdzie do określonego progu.

Pierwsza w historii obserwacja tego progu była możliwa dzięki technice opracowanej przez profesora MIT, Scotta Manalisa i jego studentów w 2007 roku, do zmierzenia masy pojedynczych komórek. W nowym badaniu, Manalis i jego koledzy byli w stanie śledzić wzrost komórek i odnieść go do harmonogramu podziału komórkowego za pomocą pomiarów masy komórek co 60 sekund przez całą długość życia komórki.

Odkrycie daje możliwość wyjaśnienia jak komórki określają, kiedy rozpocząć proces podziału, podkreśla Sungmin Son, główny autor pracy. Łatwiej jest komórkom zmierzyć tempo swojego wzrostu, gdyż mogą to zrobić poprzez określenie, jak szybko jest coś w komórce produkowane lub ulega degradacji, natomiast dokładny pomiar wielkości jest trudny dla komórek.

Manalis, profesor inżynierii biologicznej i członek Instytutu Badań nad Rakiem Davida H. Koch w MIT, jest redaktorem artykułu. Pozostali autorzy to: student podyplomowy MIT Yaochung Weng; Amit Tzur, były pracownik naukowy HMS; Paul Jorgensen, były pracownik naukowy HMS; Jisoo Kim, dawny student podyplomowy MIT i Marc Kirschner, profesor biologii systemowej na HMS.

Obserwowanie komórek

Oryginalny system ważenia komórek Manalisa, znany jako zawieszony rezonator mikrokanalikowy, pompuje komórki (zanurzone w płynie) do mikrokanalika, który przebiega przez maleńką krzemową podpórkę. Podpórka wibruje w próżni. Kiedy komórka przepływa przez kanał, częstotliwość drgań zmienia się i na tej podstawie może być obliczona masa komórki.

Dla potrzeb nowych badań naukowcy zmienili swój system tak, że może on uwięzić komórkę na znacznie dłuższy okres. Oryginalny system oferował ograniczoną kontrolę nad ruchem komórek w kanale; komórki mogły zginąć lub przestać funkcjonować ze względu na kumulację ciśnienia przy częstych przejściach przez mikrokanalik. W konsekwencji wzrost może być monitorowany przez okres krótszy niż 30 minut.

Aby uniknąć tego problemu, badacze opracowali sposób na precyzyjną kontrolę przepływu w systemie tak, że komórka może być zatrzymana w dowolnym miejscu na obwodzie. Ponadto dodali do przepływu ciągłe uzupełnianie składników odżywczych i usuwanie odpadów. Teraz komórka przepływa przez system co 60 sekund i pozostaje funkcjonalna przez kilka pokoleń.

Nowy system mierzy, oprócz jej masy, także sygnały fluorescencyjne z komórki.

Komórki są zaprogramowane do ukazania fluorescencyjnych białek w różnych momentach cyklu komórkowego, pozwalając naukowcom odnieść informacje o cyklu komórkowym do wzrostu komórki.

Komórka jest zajęta wzrostem w fazie nazwanej G1. Zmiany krytyczne następują, gdy komórka wkracza w fazę S, podczas której DNA jest replikowane w ramach przygotowań do podziału. Naukowcy odkryli, że tempo wzrostu gwałtownie wzrasta w fazie G1.

Współczynnik ten jest bardzo zmienny dla różnych komórek podczas fazy G1, ale wyrównuje się, gdy komórki zbliżają się do fazy S. Gdy komórki zakończą proces przechodzenia do fazy S, tempo wzrostu różnicuje się ponownie.

Opierając się na właściwościach nowego systemu, który dokładnie kontroluje warunki środowiskowe wewnątrz kanału, naukowcy mogą również zmienić bardzo szybko te warunki, co pozwala im sprawdzać jak komórki reagują na takie zakłócenia.

Mierzymy teraz odpowiedź komórki na różne zaburzenia w krótkim czasie, np. wyczerpanie się danego składnika odżywczego lub dodanie leku, powiedział Manalis. Wierzymy, że to pomoże zdobyć informacje, których nie mogliśmy otrzymać przy pomocy standardowych badań.