Два исследования проливают свет на связь электрических, биохимических и биомеханических сигналов в клетках
Новые исследования, опубликованные командами в рамках Многопрофильной университетской исследовательской инициативы (Multidisciplinary University Research Initiative, MURI) под руководством Университета Мэриленда, проливают свет на дополнительные биомеханические сигналы, которые могут использоваться для управления клетками, например, для ускорения заживления ран.
"Наше исследование впервые показывает, что биомеханические волны постоянно возникают внутри клеток и могут действовать как сенсоры физической среды", — сказал Вольфганг Лозерт, профессор физики в UMD и главный исследователь MURI.
Две статьи, опубликованные в журналах iScience и eLife, сообщают о последних открытиях MURI. Команда MURI, состоящая из исследователей в области физики, химии, биологии, биоинженерии и дерматологии из UMD и нескольких других университетов, пытается понять связь между электрическими сигналами, биохимическими и биомеханическими сигналами.
"Эти две статьи действительно подчеркивают, как они связаны", — сказал Лозерт. "Эта работа открывает новые пути для управления клетками и тканями и модулирования клеточной судьбы с помощью физических управляющих воздействий".
Информация в "азбуке Морзе" и биомеханические волны
Исследование, описанное в iScience, показывает, что электрический ток посылает сигналы, подобные азбуке Морзе, которые клетка считывает и на которые реагирует.
"Наше исследование в iScience показывает, что информация закодирована во временной последовательности сигналов, и что клетки могут считывать временную последовательность переменного электрического поля. Это влияет на судьбу клетки", — пояснил Лозерт.
Статья в eLife показывает, что сенсором электрического поля в клетке является не химическая концентрация напрямую, а динамическая система внутренних волн и колебаний.
"В электрической активности мозга хорошо установлено, что волны и колебания — это то, на что мы должны смотреть, пытаясь понять, как он обрабатывает информацию", — сказал Лозерт. "Теперь мы смещаем фокус и говорим, что, когда мы подаем входной сигнал, мы также должны рассматривать временную зависимость этого сигнала как потенциальный носитель информации".
Ключевые эксперименты и открытия
- Направление клеток: Клетки могут направляться не только химическими веществами или светом (оптогенетика), но и электрическими полями, что потенциально применимо глубоко внутри тканей тела.
- Создание "гигантской клетки": Исследователь MURI Цисинь Ян (Ph.D. '22, физика) разработала метод слияния десятков клеток с помощью электрического шока для создания очень крупных "гигантских клеток". Это позволило получить более высокое разрешение для изучения внутриклеточной динамики.
- Биомеханические волны как сенсоры: Используя эту "большую картину", команда обнаружила, что биомеханические волны являются потенциальным новым сенсором электрических полей. Ян показала, что эти волны напрямую управляются электрическими полями, которые приближают их к порогу возбудимости.
"Эти два наблюдения — информация в "азбуке Морзе" и восприятие электрических полей волнами — являются новыми и обеспечивают основу для понимания того, какие устройства могут работать для направления движения клеток", — заключил Лозерт.