Ce se întâmplă când celulele îmbrățișează leziunea? Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Oamenii de ştiinţă propun o ipoteză nouă pentru a explica unul dintre marile mistere din evoluţia vieţuitoarelor.

Kintsugi este o artă japoneză străveche având ca obiect repararea obiectelor de ceramică sparte, şi la care se foloseşte aurul sau alt material prețios. Filozofia acesteia spune că acceptarea faptului că ruperea și repararea sunt părţi integrante din viața obiectelor ne poate duce la obţinerea unor obiecte mai valoroase decât originalul. În conformitate cu o ipoteză dezvoltată de oamenii de ştiinţă Detlev Arendt şi Thibaut Brunet din cadrul Laboratorului European de Biologie Moleculara (EMBL)w1 din Heidelberg, Germania, celulele eucariote ancestrale ar fi fost supuse unui proces similar de deteriorare și reparare, proces care, pe parcursul evoluției, a condus la nașterea celulelor extrem de specializate din creier şi din muşchi (Brunet & Arendt, 2016).

Otravă celulară

Când detectează un semnal, neuronul sau celula musculară din corpul nostru răspunde prin aceea că îngăduie unor ioni, de sodiu şi de calciu, să treacă prin membrana celulară. Asemenea fluxuri interioare de molecule declanșează răspunsuri precise, care determină celulele musculare să se contracte şi celulele neuronale să elibereze substanţele chimice responsabile de comunicarea dintre celule, prin sinapsă. Deocamdată este un mister cum a evoluat sistemul nostru nervos central încât să utilizeze aceste declanșatoare chimice, dar Detlev și Thibaut se apropie de un răspuns.

Artistic impression of a network of neurons. The branched extensions, known as dendrites, transmit impulses to the cell body.
Reprezentare artistică a unei reţele de neuroni. Extensiile ramificate, numite dendrite, transmit impulsuri către corpul celulei.
Pentru imagine mulţumim lui Scott Ingram; sursa imaginii: Flickr

La concentrații mari, calciul este nociv pentru toate celulele vii, deoarece formează agregate insolubile împreună cu molecule esenţiale pentru supravieţuirea celulară. Acesta este motivul pentru care calciul ajunge să fie de 10000 de ori mai puțin abundent în interiorul celulelor decât este în sânge. Putem spune despre compoziția chimică a celulelor actuale că este o „amprentă” a compoziției mediului în care a început viața, în urmă cu peste de 3,5 miliarde de ani. Fiind permeabile pentru molecule mici, primele celule au avut aceeași compoziție chimică ca mediul acvatic în care au trăit, şi în care concentrația de calciu era scăzută. Însă ulterior, când celulele ancestrale au fost expuse la medii bogate în calciu, acum aproximativ 1,5 miliarde de ani, ele au fost nevoite să dezvolte un răspuns pentru a se proteja de această moleculă toxică. Deoarece una dintre cele mai importante căi de influx pentru calciu o constituie leziunile membranei celulare, oamenii de ştiinta cred că un răspuns celular foarte important a trebuit să fie contracararea unor asemenea deteriorări.

„Dacă te uiți la celule eucariote, de la alge la neuroni, vezi că majoritatea moleculelor care fac un contract celular sunt sensibile la calciu, aşa încât am presupus că primele constricții celulare au apărut ca răspuns la un influx de otravă din exterior, pentru a închide ruptura membranei”, spune Thibaut. „Iniţial presupunerea noastră a cam fost ca un glonţ tras pe întuneric, dar când ne-am uitat în literatura de specialitate pentru a confrunta această ipoteză, am fost încântați să vedem că lucrurile chiar aşa funcționează!”

Până la neuroni şi muşchi

La apariţia unei leziuni în membrana celulară, două proteine sensibile la calciu, numite actină și miozină, se organizează într-un inel în jurul rănii. Uşor-uşor reţeaua creată de actină și miozină se contractă, constricția determinând membrana celulară să închidă treptat rana. Calciul declanşează şi eliberarea de structuri de forma bulelor, numite vezicule. Aceste vezicule sunt bogate în molecule grase, care aprovizioneză membrana celulară cu noi „cărămizi de reconstrucție”. Oamenii de ştiinţă consideră că acest mecanism cicatrizant ar fi fost primul „răspuns de urgență” al celulelor ancestrale la influxul de calciu.

A 3-day-old larva of Platynereis: muscles are shown in red and the nervous system in green.
O larvă de trei zile de
Platynereis: muşchii sunt
reprezentaţi cu roşu iar
sistemul nervos cu verde.

Pentru imagine mulţumim lui
Thibaut Brunet / EMBL

Așa cum se întâmplă adesea în evoluția naturală, acest mecanism – care a evoluat inițial pentru repararea membranei – s-a dovedit aplicabil şi în alte contexte. Pentru anumite celule, contracția membranei, care deformează celula, a devenit o formă de mişcare. De asemenea, eliberarea de molecule prin secreție din vezicule a devenit o modalitate puternică de comunicare cu alte celule.

Pe măsură ce au crescut în complexitate, celulele ancestrale au construit sisteme ce controlează contracția și secreția prin imitarea ruperii membranei, promovând un influx de calciu controlat. Acest sistem s-a dezvoltat mai departe, și influxul de ioni a fost amplificat activ într-un potențial de acțiune – un scurt semnal electric ce se poate răspândi rapid prin membrana celulară, declanșând activarea contracției și a secreției. Celulele ancestrale au devenit ‘multitasking’: au devenit capabile să genereze un potențial de acțiune, care a determinat o porţiune din aceeași celulă să se contracte. Astfel de potențiale de acțiune au stimulat şi eliberarea de vezicule pline cu substanțe chimice necesare pentru comunicarea inter-celulară, ceea ce a dus la răspândirea activității contractile la celulele învecinate.

Unele dintre celulele progenitoare au dat mai târziu naștere la două tipuri distincte de celule prin „diviziunea muncii” (prin specializare): evolutiv, ele s-au despărțit literalmente în două ramuri, celule contractile și celule mecano-senzoriale. Pe o ramură, celulele contractile, a căror activitate principală a fost contractarea, au evoluat în celulele musculare. Pe cealaltă ramură, celule mecano-senzoriale, specializându-se în generarea potențialului de acțiune și în eliberarea veziculelor de comunicare inter-celulară, au evoluat în neuronii pe care îi vedem astăzi. Însă vechile căi s-au menținut: chiar şi acum, neuronii și mușchii noștri încă se bazează pe un influx controlat de otravă celulară – calciul – pentru a decide când să secrete și când să se contracte.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Institution

EMBL

Author(s)

Născută în Apulia, o regiune însorită din sudul Italiei, Giorgia Guglielmi şi-a obţinut diploma şi masteratul în biologie de la Universitatea 'Tor Vergata' din Roma. Ea s-a alăturat atunci Unităţii de Biologie Evolutivă din cadrul Laboratorului European de Biologie Moleculară (EMBL) din Heidelberg, Germania, pentru a cerceta formarea embrionilor. Eforturile Giorgiei de a controla contracţia în celule individuale de Drosophila folosind laserii i-au adus porecla de 'fly zapper' dar şi un doctorat în biologie, cu summa cum laude. Comunicator de ştiinţă entuziast, Giorgia este acum înscrisă într-un stagiu de perfecţionare a scrierii ştiinţifice la MIT (Massachusetts Institute of Technology). Când nu este la MIT (guglielm@mit.edu), ea poate fi găsită fie pe Twitter @GiorgiaWithAnI fie pedalând bicicleta pe undeva prin Massachusetts.


Review

Can you think about a difficulty you managed to overcome that ultimately made you stronger? According to this article, ancient eukaryotic cells may have undergone damage and repair processes that led to more specialised cells – thanks to evolution.

Ideile menţionate în articol pot fi folosite în lecțiile de biologie din învățământul secundar, în special atunci când se studiază biochimia și evoluția naturală. Textul subliniază şi faptul că reacțiile chimice și procesele fizice au un rol esențial în procesele celulare.

Înainte de a citi articolul, elevii pot fi provocaţi să se gândească la ce cred ei că ar fi determinat evoluția celulelor de la eucariotele simple la cele complexe.

Pe lângă utilizarea ca exercițiu de înțelegere, acest articol poate contribui la creșterea gradului de conștientizare a importanței evoluției în dezvoltarea vieții pe planeta noastră. Câteva întrebări potențiale pentru discuții:

  • Cum reacţionează neuronii sau celulele musculare din corpul uman când detectează un semnal?
  • De ce concentraţiile mari de calciu sunt dăunătoare celulelor vii?
  • Care este rolul proteinelor actină şi miozină ca răspuns la deteriorarea membranei celulare?
  • Cum comunică celulele între ele?
  • Ce este un potenţial de acţiune?

Mireia Güell Serra, Spain



License

CC-BY