Jak améby zvládly bludiště

Možná jste slyšeli o pověstném labyrintu Jindřicha VIII., který se rozprostírá na ploše 1 300 m² poblíž paláce Hampton Court u Londýna. Labyrint byl založen kolem roku 1690, je ze sestříhaného živého plotu a abyste jej celý prošli, musíte ujít 800 m. Vědci sestrojili jeho mikroskopickou kopii a nechali v něm bloudit buňky - prvoky améby (měňavky). Buňky k jejich překvapení bludiště celkem snadno vyřešily. Vyhýbaly se slepým uličkám tím, že „viděly za roh“.

Pro jednu buňku je lidské tělo obrovským bludištěm tkání, kapilár, chemických látek a milionů dalších buněk, které se pohybují, plní různé úkoly nebo za nimi spěchají. A přesto, uprostřed toho všeho ruchu, se buňkám nějakým způsobem stále daří dosáhnout jejich cílů. Jak to dělají?

Chemotaxe

Řada buněk ovládá trik známý jako chemotaxe - je to schopnost navigace snímáním přítomnosti nebo nepřítomnosti chemických látek v jejich životním prostředí. Spermie používají chemotaxi k hledání vajíček, bílé krvinky ji využívají ke shromažďování v místech infekce a rakovinné buňky ji používají k metastázování do zranitelných tkání. Může tedy améba použít chemotaxi k řešení nejznámějšího bludiště? Přesně je to popsáno v nové studii zveřejněné 27. srpna 2020 v časopise Science.

Pokusy s bludišti

Aby otestovali sílu chemotaxe využívané buňkami na velké vzdálenosti, vytvořili vědci miniaturní verzi bludiště z paláce Hampton Court (kdysi sídlo krále Jindřicha VIII. a jeho potomků) plus desítky dalších mikroskopických labyrintů různé složitosti. Do bludišť vypustili améby - a ty vyrazily s neuvěřitelnou přesností k východům. Pomocí chemotaxe účinně „viděly za rohy“ a vyhnuly se slepým uličkám dříve, než k nim vůbec dorazily, jak uvedl autor studie Robert Insall. „Buňky nečekají, až jim někdo řekne, co mají dělat,“ řekl Insall, profesor matematické a výpočetní buněčné biologie na Univerzitě v Glasgowě ve Skotsku. „Analýzou chemických látek před sebou poznají, která větev bludiště vede do slepé uličky a která vede k východu. Je to naprosto neuvěřitelné.“

Buňky v bludišti

Ve své nové studii se vědci zaměřili na specifickou formu buněčné navigace zvanou „samo-generovaná“ chemotaxe. Spoléhá se na jednoduchou filozofii: buňky chtějí přejít z oblastí s nižší koncentrací atraktantu (látky, která buňky přitahuje, v tomto případě kyselého roztoku zvaného adenosinmonofosfát) do oblastí s vyšší koncentrací. „Dalo by se to přirovnat ke starému rčení ‚tráva je vždy zelenější na druhé straně plotu‘,“„ řekl Insall. „Krávy snědly veškerou trávu tam, kde jsou, a chtějí se dostat na další pole, kde tráva stále roste.“ Někdy existuje více „polí“, z nichž si lze vybrat - ve studii to bylo zařízeno několikerým větvením bludiště. K určení, ve které větvi bludiště je vyšší koncentrace atraktantu, rozkládají buňky molekuly před sebou, což způsobuje, že atraktant z blízkých oblastí k nim difunduje. Jak se buňky pohybují vpřed, atraktant před nimi se stále více vyčerpává; krátké, slepé větve bludiště atraktant neobsahují, což buňky poznají dokonce dříve, než dosáhnou východu k slepé uličce. Když se mají rozhodnout mezi vyčerpanou větví bludiště a dlouhou větví plnou atraktantů, buňky nikdy nepůjdou slepou cestou.

Nejdřív model, pak bludiště

Vědci nejprve pracovali s počítačovými modely, později chtěli vidět buňky v akci. Leptáním drážek na křemíkový čip vytvořili více než 100 mikroskopických bludišť. Dráhy měřily mezi 10 a 40 mikrometry. (Pro srovnání: nejtenčí lidské vlasy mají šířku asi 20 mikrometrů). Složitost bludišť se pohybovala od jednoduchých (jen několik větvících se cest před výstupem) přes obtížné (s dlouhými slepými cestami, jako je např. replika bludiště z Hampton Courtu), až po nemožné (např. musela být z pokusu vyřazena replika skotského bludiště Traquair House, protože všechny améby umíraly dříve, než hádanku vyřešily). Vědci odlili drobná bludiště z pryskyřice a poté je zaplavili tekutinovým lákadlem, které bylo přiváděno z východu bludiště. Na začátku každého bludiště se seřadily půdní améby zvané Dictyostelium discoideum, které začaly plavat vpřed a rozbíjet molekuly tekutin před nimi. Projít nejdelší bludiště trvalo důvtipným buňkám asi 2 hodiny, kratší jen 30 minut.

Skutečné buňky fungovaly přesně tak, jak předpovídaly počítačové modely. Když se ocitly tváří v tvář výběru mezi krátkou slepou cestou a dlouhou cestou, která vedla k východu, buňky vždy zvolily dlouhou cestu. V těžších bludištích, která zahrnovala slepé cesty stejně dlouhé, jako byla správná cesta, se buňky správně rozhodovaly v asi 50 % případů. Vždy se k východu nejpravděpodobněji dostaly buňky, které vstoupily do bludiště jako první. Buňky, které šly až za nimi, našly cesty od předchozích již vyčerpané, zbavené atraktantu, takže neměly dostatečné informace o tom, kam jít.

„Množství informací, které buňky mohou číst rozkladem chemikálií, je mnohem větší, než si kdokoli myslel,“ řekl Insall. „To nás nutí si myslet, že většina biologických problémů, kde si buňky musí najít cestu z jednoho místa na druhé, téměř jistě používá stejný mechanismus chemotaxe.“

Přestože se studie zaměřila na améby, vědci se domnívají, že výsledky by měly platit pro jakýkoli jiný druh buněk lidského těla - ať už jde o bílé krvinky, které se šíří tkáněmi, aby dosáhly místa infekce, nebo rakovinné glioblastomové buňky plavící se mozkovými kanály bílé hmoty. Typ atraktantu se pravděpodobně v každé situaci liší, v mnoha případech je vědcům stále neznámý. Pro buňky navigující labyrintem našich těl může být chemotaxe nejlepší cestou, jak zjistit, "kde je tráva zelenější".

Zdroj: https://www.livescience.com/cells-solve-mazes-chemotaxis.html?utm_source=Selligent&utm_medium=email&utm_campaign=9160&utm_content=LVS_newsletter+&utm_term=3606118&m_i=ehGV_%2BPTXDuKZiAob1tCLNlKY%2B4mILOBV9m12g8RvZV6ksVHkGdr8TBC3y7Oj_A02hW1PjiBztoDy1lwAkBjTpcPuxYj7Rc5DSuf2kOee0