Da bi veličina bilo koje populacije tokom vremena ostala stabilna, njene stope nataliteta i smrtnosti moraju biti uravnotežene. Ako je natalitet previsok, može doći do eksplozije stanovništva; ako je preniska, stanovništvo će se smanjiti. Ovakva ravnoteža postoji, na primer, među oko 10.000 milijardi ćelija koje čine naše telo.
Kada dostignemo odraslo doba, naše matične ćelije se mogu podeliti da bi obnovile telesna tkiva, ali nakon višestruke podele postaju zrele ćelije koje se podele nekoliko puta, a zatim umiru. Ovu ravnotežu primećujemo samo kada je poremećena — na primer, kada ćelije počnu nekontrolisano da se dele i stvaraju kancerogene izrasline.
Iz toga sledi da je ravnoteža između ćelija koje se dele i zrelih preduslov za postojanje bilo kog višećelijskog organizma, ali kako se ona održava? U novoj studiji objavljenoj nedavno u Cell, istraživači sa Instituta za nauku Veizman koristili su jednoćelijske organizme da bolje razumeju kako višećelijski organizmi održavaju ovu ravnotežu i štite se od raka.
Diferencijacija ćelija je biološka „trening specijalizacije“, u kojoj se matična ćelija deli na dve ćerke ćelije, od kojih jedna preuzima definisanu ulogu i stiče karakteristike potrebne da bi je ispunila. Kada se ćelije podvrgnu diferencijaciji, njihova nova specijalnost je korisna za višećelijski organizam čiji su deo, ali one plaćaju veliki individualni danak: što dalje idu ovim putem specijalizacije, to se više smanjuje njihova sposobnost replikacije, sve dok ne budu nestale. duže uopšte u stanju da deli.
Ova spora podela diferenciranih ćelija čini ih ranjivim na populacije ćelija koje se dele i rastu brže i stoga mogu da preuzmu tkivo i njegove resurse. Kod nekih vrsta raka krvi, na primer, matične ćelije u koštanoj srži prolaze kroz mutaciju koja usporava njihovu diferencijaciju i omogućava im da proizvode više matičnih ćelija kćeri. Ove mutantne ćelije koriste prednost prirodne slabe tačke u procesu diferencijacije, prevazilazeći populaciju zdravih ćelija u procesu poznatom kao preuzimanje mutanata.
Iako se jedna mutacija, u proseku, javlja u svakoj ćelijskoj deobi u našem telu, većina nas uživa decenijama dobrog zdravlja, kroz nebrojene ćelijske deobe, a da ne doživi preuzimanje mutanta. Ovo sugeriše da postoje efikasni mehanizmi za suočavanje sa ovom pretnjom, čak i ako ih je teško identifikovati u složenim organizmima.
Naučnici u istraživačkoj grupi prof. Urija Alona na Veizmanovom odeljenju za molekularnu ćelijsku biologiju odlučili su da kreiraju bakterije E. coli, koje se obično ne razlikuju, kako bi bile podvrgnute procesu veštačke diferencijacije, omogućavajući istraživačima da proučavaju kako se ćelijska populacija nosi sa mutantima Preuzeti.
„Postoji niz jasnih prednosti modela E. coli“, objašnjava dr Dejvid Glas, koji je vodio studiju u Alonovoj laboratoriji. „Jedan od njih je kratko vreme generacije, što nam je omogućilo da proučavamo razvoj mutanata tokom stotina generacija u laboratoriji.“
Da bi proizveli bakterije E. coli sposobne za diferencijaciju, istraživači su inspirisali cijanobakterije zvane Anabaena, koje se razlikuju — odsecanjem određenih segmenata svoje DNK — kao odgovor na nedostatak azota u njihovom okruženju. Iako diferencirane bakterije gube sposobnost da se dele, one dobijaju važnu prednost za preživljavanje: sposobnost da snabdevaju sebe i celu koloniju azotom.
Da bi oponašali proces diferencijacije u modelu E. coli, naučnici su uzgajali bakterije u okruženju koje je uključivalo antibiotike, ali mu je nedostajala esencijalna aminokiselina. Koristeći genetski inženjering, ubacili su u svaku bakteriju nekoliko kopija gena za otpornost na antibiotike i nekoliko kopija gena koji je proizveo aminokiselinu koja nedostaje.
Pre nego što je započeo proces veštačke diferencijacije – to jest, kada su bakterije bile u stanju ekvivalentnom stanju matičnih ćelija – bili su aktivni geni otpornosti na antibiotike, tako da su bakterije mogle da se dele i diferenciraju velikom brzinom uprkos prisustvu antibiotik.
Kada je proces diferencijacije započeo odsecanjem gena otpornosti na antibiotike, bakterije su postepeno izgubile sposobnost da se dele i diferenciraju, ali su stekle prednost u preživljavanju: preseci u DNK su postepeno aktivirali gene koji su proizvodili esencijalnu aminokiselinu.
„Da bismo utvrdili koja stopa diferencijacije najbolje funkcioniše, održali smo takmičenje između 11 sojeva E. coli, od kojih svaki odseca segmente DNK – to jest, diferencira – različitom brzinom“, objašnjava Glass. „Pomešali smo jednake količine bakterija, uzgajali ih tokom nekoliko dana, a zatim proverili koje su preživele.
„Otkrili smo veoma jak izbor u korist bakterija koje su se razlikovale umerenom brzinom i otkrili da sojevi bakterija sa umerenom stopom diferencijacije održavaju optimalnu ravnotežu tipova ćelija u svojoj populaciji. U svakom trenutku, samo manjina ćelije su bile „čiste matične ćelije“ ili „potpuno diferencirane ćelije“, a većina je pronađena u srednjim stanjima procesa.“
Ovu optimalnu, umerenu stopu diferencijacije dele različiti sistemi u ljudskom telu, u kojima se održava kvantitativna ravnoteža između matičnih ćelija, progenitornih ćelija u različitim fazama diferencijacije i diferenciranih ćelija koje povremeno umiru i zamenjuju se novim.
Da bi se održala stabilna veličina populacije, važno je održati tu ravnotežu čak i kada se uslovi životne sredine promene. Da bi saznali da li su bakterije u njihovom modelu zaista održavale ovu ravnotežu čak i pod promenjenim uslovima, istraživači su ih uzgajali u 36 različitih kombinacija koncentracija antibiotika i aminokiselina u medijumu kulture.
„Videli smo da je u svakoj situaciji – osim najekstremnijih, kao što je potpuno odsustvo antibiotika – optimalna stopa diferencijacije ćelija ostala u umerenom opsegu i ravnoteža je održana“, objašnjava Glass. „To znači da je populaciona ravnoteža koja karakteriše model diferencijacije koji smo razvili u velikoj meri imun na promene i pretnje životne sredine.
Ali da li je populacija bakterija koja se diferencira optimalnom brzinom takođe imuna na preuzimanje mutanata, poput sistema u višećelijskim organizmima?
Da bi testirali sposobnost ovih bakterija da izdrže preuzimanje mutanata, istraživači su ih uzgajali tokom mnogih generacija i proverili da li su se tokom dugog perioda rasta pojavile nasumične mutacije, stvarajući bakterije koje se uopšte ne razlikuju i nekontrolisano se dele. Drugim rečima, da li mutantne bakterije dovode do preuzimanja mutanata ili su potisnute u ranoj fazi?
Prvi put kada su sproveli eksperiment, istraživači su bili razočarani što su u polovini slučajeva otkrili preuzimanje mutanata. „Otkrili smo da kada genetska promena prekine vezu između usporavanja diferencijacije i dobijanja te prednosti preživljavanja, mutanti koji se ne razlikuju mogu preuzeti vlast“, dodaje Glass.
Zatim su istraživači ponovili eksperiment sa novim bakterijskim sojem koji je genetski modifikovan da bude imun na identifikovanu mutaciju. „Uspeli smo da uzgajamo oko 270 generacija bakterija koje se razlikuju i nije došlo do preuzimanja mutanta. Nažalost, invazija Izraela 7. oktobra prekinula je eksperiment, a bakterije bi mogle biti još otpornije“, kaže Glass.
„Pokazali smo da sistem u kojem diferencirajuće ćelije E. coli prestaju da se dele, ali dobijaju prednost u preživljavanju, može da održi optimalnu ravnotežu populacije i spreči preuzimanje mutanata. Mnoge bolesti, kao što su rak i autoimuni poremećaji, jedinstvene su za višećelijske organizme. Kada smo genetski inženjering sve više i više karakteristika višećelijskih sistema u jednoćelijskim organizmima, možemo otkriti slabe tačke i tražiti ih iu ljudskom tkivu.“
„Pored osnovne nauke, ova nova otkrića mogu takođe uticati na upotrebu bakterija u industriji“, dodaje Glass. „Genetski modifikovane bakterije se trenutno koriste u velikoj proizvodnji insulina, enzima i drugih supstanci koje koriste ljudi. Stvaranje populacije diferencirajućih bakterija koje održavaju svoju ravnotežu, obnavljaju se i čak sprečavaju preuzimanje mutanata moglo bi biti veoma korisno u ovim proizvodnim procesima.“
