Dobro je utvrđena činjenica da svaka ćelija u vašem telu reaguje na fizički dodir. Ne reaguju svi na potpuno isti način – ćelija u vašoj slezini neće skočiti kao uplašena mačka ako je ubode igla. Ali u celom ljudskom telu, fizički materijali i strukture koje obavijaju i podržavaju ćelije dok rastu i obavljaju svoje svakodnevne zadatke igraju veliku ulogu u njihovom zdravlju i ponašanju.
Na primer, nemoguće je naterati složene biološke strukture kao što su krvni sudovi i nervi da rastu u Petrijevoj posudi; potrebna im je prava kombinacija spoljnih struktura za podršku. Dlake u vašim ušima koje pretvaraju vibracije u električne signale koji se šalju vašem mozgu su osetljive čak i na pokrete na nanosmerama. I razne ćelije u crevima osećaju kada je vaš stomak pun da ispune svoje funkcije za varenje.
Uprkos saznanju da dodir i fizička sila igraju važnu ulogu u mnogim aspektima bioloških procesa, malo se zna o tome kako sve to funkcioniše. Različite ćelije imaju različite puteve za detekciju i prenos signala generisanih dodirom. A uzgajanje ćelija izvan tela koje se mogu postaviti u neku vrstu eksperimentalne postavke koja može da meri ove ulaze i izlaze nije lako.
U članku objavljenom na mreži 16. februara u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, mašinski inženjeri i neurobiolozi sa Univerziteta Duke umanjuju taj jaz u znanju.
Koristeći mikroskopiju atomske sile i elektrofiziologiju, istraživači mere gornju i donju granicu funkcija četiri proteina koji emituju električne signale kao odgovor na fizičke stimuluse. Rezultati pokazuju široku širinu njihovih sposobnosti, otvarajući nova pitanja o tome kako specijalizovane ćelije osetljive na dodir uspevaju da funkcionišu isto tako dobro.
„Svaki senzorni sistem je ograničen količinom pozadinske buke koju mora da savlada da bi otkrio signal. Naše oči mogu osetiti svetlosnu energiju veoma blizu ove granice, što ih čini izuzetno osetljivim čak i na pojedinačne fotone“, rekao je Majkl Jang, naučnik-istraživalac u Mirobalan Therapeutics koji je istraživanje sproveo kao doktorat. student na Duke. „Ali čak i sa ćelijama napunjenim ovim proteinima, morao sam da dodam milijardu puta više energije od tog praga da bih generisao bilo kakav signal koji se može detektovati. U stvari, bilo je prilično iznenađujuće.“
Četiri proteina koje je Jang istraživao bili su članovi dve ćelijske porodice – Piezo1 i Piezo2, i TREK1 i TRAAK. Piezo2 se nalazi uglavnom u senzornim ćelijama, poput onih u koži koje generišu signale osetljive na dodir za neurone koje prenose do mozga, dok je njegov bliski srodnik Piezo1 se nalazi u niskim nivoima u ćelijama koje pomažu u regulisanju automatizovanih bioloških procesa kao što su krvni pritisak i ćelije. migracije. TREK1 i TRAAK se nalaze uglavnom u nervnom sistemu, igrajući nepoznatu ulogu koja pomaže u prenošenju signala, i mogu se aktivirati mnogim različitim vrstama stimulusa osim dodira.
Da bi izmerio granice sposobnosti ovih ćelija, Jang je radio sa Jorgom Grandlom, profesorom neurobiologije u Dukeu, na uzgoju ćelija ispunjenih jednim od dotičnih proteina. Zatim je otišao kod Stefana Zaušera, profesora mašinstva i nauke o materijalima u Dukeu, da smisli kako najbolje da izmeri njihov odgovor kada ga bockaju i bockaju.
Zauscher je postavio tim sa mikroskopom atomske sile. Sa konzolnom gredom koja je jedva vidljiva golim okom, mašina može da primeni sile male čak 10 pikonjutona — sila reda veličine 10 miliona puta manja od pera na zadnjoj strani vaše ruke.
Za svaku ćeliju ispunjenu proteinima, Jang je izmerio minimalnu količinu sile koja je potrebna da bi se izazvao detektibilni signal, najveću količinu električne aktivnosti koju je mogla da generiše i opšte ponašanje signala. Na primer, da li je bilo kratko i intenzivno ili dugo i blago.
Iznenađujuće, Jang je otkrio veliki raspon u njihovim reakcijama, uprkos sličnostima proteina. Neke ćelije su emitovale električne odgovore skoro trenutno, dok su druge imale kašnjenje više od 10 puta duže. Takođe je postojao širok spektar osetljivosti, što je postavljalo pitanje koji drugi faktori mogu igrati ulogu u tome kako ovi proteini pomažu u regulisanju biohemijskih aktivnosti tela.
„Jednostavno smo napunili ove ćelije proteinima kako bismo osigurali da smo dobili odgovor, ali njihovo specifično postavljanje na ćeliju može biti važnije za njihov rad, ili bi njihovo strukturno okruženje moglo igrati važnu ulogu“, rekao je Jang. „Bilo bi zanimljivo uporediti ove rezultate sa ćelijama koje već sadrže ove proteine, jer su možda evoluirali da imaju pravi broj na tačno pravim mestima da bi optimizovali svoje odgovore.“
