Ученые наблюдали за тем, как клетки взаимодействуют в пределах всего организма

Фото из открытых источников

Биология — наука о живых организмах — порой, надо признать, несколько упрощенно понимает мир. В зависимости от того, как рассматривать организм, легко упустить из виду важные взаимосвязи. Микроскопы позволяют рассмотреть мельчайшие детали тела, вскрытие помогло идентифицировать различные органы, а рентгеновские лучи могут показать общую картину внутренних систем.

Но до сих пор было сложно понять, как живые клетки взаимодействуют между этими системами, которые традиционно изучались изолированно, хотя в конечном итоге наш организм функционирует как единое целое.

Теперь учёные выяснили, как наблюдать за взаимодействием клеток из разных частей тела. Результаты их исследования опубликованы в журнале Nature.

«Эта работа объединяет два фундаментальных масштаба биологии — клеточный и организменный — так что теперь мы можем заполнить пробел в наблюдаемости», — говорит нейробиолог-вычислитель Вирджини Рюттен, разработавшая эту методику вместе с командой из Института медицинских исследований Говарда Хьюза в США. «Некоторые действительно базовые свойства просто отсутствовали, потому что изучать клеточные реакции в больших масштабах было очень сложно».

Новая методика визуализации, получившая название WHOLISTIC (WHole-Organism Live-Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity), позволяет фиксировать клеточную активность по всему организму с точностью до секунды.

На данный момент Рюттен и его команда использовали эту технику для визуализации сигналов в реальном времени у животных, обладающих естественной прозрачностью: сначала на личинках данио-рерио, а затем на другом виде пресноводных рыб, Danionella cerebrum, которые остаются прозрачными во взрослом возрасте.

Обе эти рыбы являются важными модельными организмами в научных исследованиях.

Возможность наблюдать за тем, как клетки в их организмах взаимодействуют между различными системами органов, может помочь ученым понять, как работают аналогичные системы и в нашем собственном организме.

Кальций — это практически универсальный сигнал, используемый клетками для общения друг с другом. Он участвует во всевозможных биологических процессах. Он помогает мышцам сокращаться и синапсам активироваться; он имеет решающее значение на начальном этапе жизни, когда происходит оплодотворение половых клеток, и на заключительном этапе, когда клетки запрограммированы на гибель.

Методика WHOLISTIC использует генную инженерию, чтобы заставить почти каждую клетку организма экспрессировать флуоресцентные кальциевые сенсоры. Эти сенсоры буквально загораются, когда изменяется уровень кальция в клетках.

«Мы знаем, что в процессе эволюции появились функционирующие организмы, но эволюции было все равно, было ли решение принято в префронтальной коре головного мозга или в связи между стволом головного мозга и мочевым пузырем», — говорит нейробиолог Миша Аренс, в лаборатории которого проводилось это исследование. «Теперь это позволяет объединить все эти области — физиологию, нейробиологию, поведенческую терапию, клеточную биологию — и изучать их на примере одного и того же животного».

Этот подход к визуализации всего тела уже привел к некоторым неожиданным результатам.

Во-первых, ученые обнаружили, что кальциевые сенсоры в хондроцитах рыбы (основных клетках, формирующих хрящ) активизируются в ответ на холод.

Они также были удивлены, увидев, что защитные слои мозговой ткани (менинги) — а не только нейроны — реагируют на кетамин.

При более отдаленном взгляде ритмы тела предстали во всей своей красе, как никогда прежде.

«На уровне нескольких органов это позволило выявить ранее неизвестные мышечные синергии и взаимодействия мышц с органами», — пишут авторы в своей статье. «На уровне всего организма этот метод позволил зафиксировать перераспределение кровотока по всему телу, контролируемое стволом головного мозга».

Команда надеется, что ученые по всему миру смогут использовать этот метод в своих исследованиях, что позволит получить беспрецедентные данные о состоянии организма в целом.