Ljudsko telo proizvodi 2 miliona crvenih krvnih zrnaca u sekundi. Svaki od njih živi po 120 dana i to vreme provode potpuno zumirajući oko tela svakih 20 sekundi, prenoseći kiseonik iz pluća u druga tkiva i vraćajući ugljen-dioksid koji se izdiše.
Velia M. Fovler, profesor i predsedavajući Odeljenja za biološke nauke na Univerzitetu Delaver, može vam reći skoro sve o arhitekturi tih ćelija.
Ćelije u obliku diska imaju dve rupice, po jednu na svakoj strani, i savršeno su simetrične kada miruju. U krvotoku, oni se fleksibilno deformišu i savijaju da bi se progurali kroz uske kapilare manje nego što jesu, vraćajući se u prvobitni bikonkavni oblik kada izađu.
„Uvek mi se dopao oblik crvenih krvnih zrnaca jer je tako lep“, rekao je Fauler. „Uvek sam želeo da shvatim kako to funkcioniše.“
Faulerova laboratorija u UD proučava arhitekturu ćelije i kako unutrašnja strukturna skela svake ćelije stvara njen jedinstveni oblik, mehaničku snagu i fiziološke funkcije. Ova skela je napravljena od proteina zvanog aktin, koji se sastavlja u filamente (F-aktin) koji podsećaju na spiralni niz perli. Za razliku od strukturalnih skela u zgradama, F-aktin u ćelijama je dinamičan, sa aktinskim podjedinicama, „perlama“, koje dolaze i izlaze iz filamenta svake sekunde.
F-aktin je ključni regulator ćelijske arhitekture i načina na koji odgovarajući ćelijski oblici podržavaju ćelijske funkcije, kaže Fauler. Disregulacija F-aktina može dovesti do promena u obliku ćelija i biomehanici, što može doprineti nizu bolesti, uključujući poremećaje krvi, imunodeficijencije, miopatije mišića, katarakte, presbiopiju, osteoporozu, osteoartritis i tendinozu.
Laboratorija proučava kako dinamička F-aktinska skela stvara određene oblike ćelija i kako to doprinosi normalnoj funkciji ćelije ili disfunkciji. Istraživanje je fokusirano na crvena krvna zrnca, ćelije u očnom sočivu i ćelije u mišićno-skeletnom sistemu.
„Pokušavamo da razumemo lokacije struktura F-aktina [unutar ćelija], njihove dinamičke organizacije, oblike i gradijente koncentracije, i kako doprinose funkcijama ćelija. Jednostavno volim tu međusobnu igru“, rekao je Fauler.
Fauler i njen tim ispituju dva različita aspekta F-aktina u crvenim krvnim zrncima: kako prekursori crvenih krvnih zrnaca preuređuju svoj F-aktin da bi se otarasili svog jezgra, omogućavajući zrelim ćelijama da cirkulišu mnogo puta kroz sićušne kapilare; i kako se F-aktin sklapa u tanku mrežu na membrani (koži) ćelije i stupa u interakciju sa motornim proteinom zvanim miozin da kontroliše oblik i fleksibilnost ćelije.
Rad sa očnim sočivom proučava kako strukture F-aktina u ćelijama sočiva doprinose transparentnosti sočiva i fokusiranju za vid. Istraživanje u ćelijama kostiju, hrskavice i tetiva ispituje kako se strukture F-aktina održavaju da bi se sprečili problemi u mišićno-skeletnom sistemu. Potonji rad se obavlja sa Centrom za istraživanje mišićno-skeletnog sistema Delavare.
Široki uticaj F-aktina na ćelije bio je jedan od razloga zašto se doktorantkinja biomedicinskog inženjerstva Heder Malino pridružila Faulerovoj laboratoriji. Privukao ju je osnovni aspekt istraživanja, a ne specijalizacija za praktična rešenja zdravstvenih problema poput protetike.
„Učenje o fundamentalnom biološkom fenomenu koji se dešava može biti zaista korisno jer gledate ćelijske i molekularne procese“, rekla je ona. „Vi saznate nešto o sočivu, ali ćelije su ćelije. Dakle, stvari koje smo naučili o sočivu takođe mogu biti sveobuhvatnije za različite procese u telu.“
Rad se zasniva na revolucionarnim otkrićima vezanim za F-aktinsku mrežu koju je Faulerova napravila tokom svoje 40-godišnje karijere. Kao postdoktorski saradnik, Fovler je prvi otkrio miozin u crvenim krvnim zrncima. Bez miozinskih motora koji povlače F-aktinske mreže da bi stvorili napetost, prekursori crvenih krvnih zrnaca ne bi mogli da generišu dovoljno sile da proteraju svoje jezgro, a zrele ćelije ne bi mogle da izdrže ponavljajuće cikluse deformacije, savijanja i odvijanja. potrebni tokom njihovog životnog veka.
Takođe je otkrila ranije nepoznati protein koji se zove tropomodulin. Tropomodulin zaustavlja rast ili smanjenje krajeva F-aktina, stabilizujući ih na određenoj dužini. Kada su filamenti iste dužine, mreže koje stvaraju kada se vezuju za druge proteine u različitim tipovima ćelija su jače i stabilnije. Ako su filamenti različite dužine, mreže su nepravilne i mehanički slabije, a oblici ćelija su abnormalni.
Fovler je pokazao da je funkcija tropomodulina kritična za razvoj srca i krvnih zrnaca, kao i za pravilnu funkciju mnogih ćelija i tkiva, uključujući očna sočiva, neurone u mozgu, epitelne ćelije koje oblažu creva, endotelne ćelije koje oblažu krvne sudove, kao i trombociti, crvena krvna zrnca. Potreban je za efikasnu kontrakciju mišića i skeletnih i srčanih mišića.
„Počela sam sa molekulom koji je imao funkciju u jednom tkivu i mislila sam da se ta funkcija mora desiti u ovim drugim tkivima“, rekla je ona. „Povezao sam tačke.“
Nedavno je Fauler bio deo tima koji je otkrio da mutacija u proteinima tropomodulin koja sprečava pravilno funkcionisanje proteina izaziva tešku naslednu kardiomiopatiju kod dece. Ovo je prvi put da je funkcija proteina direktno povezana sa srčanim oboljenjima kod ljudi. Istraživanje je objavljeno u časopisu Communications Biologi.
Fauler je nedavno priznata kao doživotni saradnik Američkog društva ćelijskih biologa (ASCB) 2023. godine, delom zbog svog rada na tropomodulinu. Ona je jedna od 19 naučnika iz celog sveta koji su dobili tu čast ove godine. Društvo uključuje vrhunske istraživače u ovoj oblasti i broji nekoliko dobitnika Nobelove nagrade kao članove.
„Dr. Fauler je unapredila naše razumevanje fundamentalnih pitanja u ćelijskoj biologiji“, rekla je Jia Song, vanredni profesor bioloških nauka, u svom pismu kojim je Fauler nominovao za nagradu. „Njen revolucionarni rad, objavljen u više od 140 istraživačkih članaka, značajno je unapredio naše razumevanje citoskeletne funkcije aktina u arhitekturi i ponašanju različitih ćelija.“
