Donald E Ingber(Architektura zycia), Ebooki, Swiat Nauki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Architektura ýycia
Niewykluczone, ýe zasady konstrukcyjne stosowane
w budownictwie obowizuj rwnieý podczas powstawania
struktur organicznych Ð od zwizkw w«gla do komrek i tkanek
Donald E. Ingber
strukturalnej w przyrodzie. Organizm Ð czy to komr-
ka bakterii, czy pawian Ð rozwija si« w niewiarygod-
nie z¸oýonej serii oddzia¸ywaÄ, w ktrych bierze udzia¸ ol-
brzymia liczba najrýniejszych elementw. Elementy te, czyli
podsystemy, zbudowane s z jeszcze mniejszych molekular-
nych sk¸adnikw, ktre charakteryzuj si« w¸asnymi dyna-
micznymi w¸aæciwoæciami, na przyk¸ad zdolnoæci do kata-
lizowania reakcji chemicznych. Kiedy jednak sk¸adniki te
po¸cz si« w wi«ksze jednostki funkcjonalne, takie jak ko-
mrki lub tkanki, pojawiaj si« ca¸kiem nowe i nieprzewi-
dziane w¸aæciwoæci, w tym zdolnoæ do ruchu, zmiany kszta¸-
tu i wzrostu.
Aczkolwiek badacze od pewnego czasu znaj ten intryguj-
cy fakt, jednak wi«kszoæ nie docenia¸a go przy dýeniu do
wyjaænienia fundamentalnych praw rzdzcych ýyciem. W ci-
gu ostatnich kilkudziesi«ciu lat biolodzy, prbujc dokona
post«pu w wiedzy o sposobie dzia¸ania ludzkiego organizmu,
definiowali w¸aæciwoæci niezb«dnych do ýycia materia¸w
i czsteczek, na przyk¸ad DNA, z ktrego zbudowane s ge-
ny. Dziæ dý do zidentyfikowania wszystkich genw w ge-
nomie Ð ich komplecie, ktry ma kaýda ludzka istota. Poniewaý
geny to plany budowy kluczowych czsteczek ýycia, czyli bia-
¸ek, poszukiwania tego æwi«tego Graala biologii molekularnej
zaowocuj w najbliýszej przysz¸oæci skatalogowaniem prak-
tycznie wszystkich czsteczek, z ktrych sk¸ada si« organizm
cz¸owieka. Jednak poznanie, z czego zbudowane s cz«æci
skomplikowanej maszyny, nie wyjaænia, w jaki sposb pracu-
je ca¸y system niezaleýnie od tego, czy jest nim silnik spalino-
wy, czy komrka. Innymi s¸owy, identyfikacja i opis elemen-
tw molekularnej uk¸adanki nie na wiele si« zdadz, jeæli nie
zrozumiemy zasad kierujcych ich ¸czeniem si« w ca¸oæ.
Fakt, ýe przyroda stosuje te same zasady sk¸adania elemen-
tw w wi«ksze ca¸oæci, wynika z powtarzalnoæci Ð zarwno
w skali czsteczkowej, jak i makroskopowej Ð okreælonych
wzorcw konstrukcyjnych, takich jak linie ærubowe, pi«ciok-
ty i inne formy z¸oýone z trjktw. Wzorce te pojawiaj si«
zarwno w bardzo regularnych kryszta¸ach, jak i stosunkowo
nieregularnych bia¸kach, a takýe w tak rýnych organizmach,
jak wirusy, plankton i ludzie. Przecieý materia (zarwno
organiczna, jak i nieorganiczna) zbudowana jest z tych sa-
mych elementw sk¸adowych: atomw w«gla, wodoru, tlenu,
azotu i fosforu. Jedyn rýnic« stanowi sposb ich rozmiesz-
czenia w trjwymiarowej przestrzeni.
Zjawisko polegajce na tym, ýe poszczeglne sk¸adniki ¸cz
si« w wi«ksze stabilne struktury obdarzone nowymi w¸aæci-
woæciami, ktrych nie moýna przewidzie na podstawie w¸a-
æciwoæci kaýdego ze sk¸adnikw z osobna, nazywa si« zjawi-
skiem samosk¸adania. Obserwuje si« je w przyrodzie na
rýnych poziomach organizacji, czyli w rýnej skali. Na przy-
k¸ad w ciele cz¸owieka wielkie czsteczki sk¸adaj si« w struk-
tury komrkowe zwane organellami, te z kolei w komrki,
w tkanki, a na koÄcu w narzdy. W rezultacie powstaje orga-
nizm zorganizowany hierarchicznie jako uk¸ad uk¸adw
w uk¸adach. A zatem jeæli chcemy w pe¸ni zrozumie sposb,
w jaki powstaj i funkcjonuj ýywe istoty, musimy odkry po-
stawowe prawa, ktre rzdz organizacj ýywej materii.
Mimo stuleci badaÄ naukowcy wciý nie poznali dobrze si¸
powodujcych ¸czenie si« atomw w czsteczki. Jeszcze mniej
wiedz o tym, w jaki sposb grupy czsteczek tworz komr-
ki i tkanki. Jednak w cigu ostatnich 20 lat odkry¸em i zbada-
¸em pewien intrygujcy i niewtpliwie podstawowy aspekt
zjawiska samosk¸adania. Zadziwiajco wiele systemw natu-
ralnych, takich jak atomy w«gla, czsteczki wody, bia¸ka, wi-
rusy, komrki, tkanki, a nawet ludzie i inne organizmy, jest
zbudowane z wykorzystaniem powszechnej zasady architek-
tonicznej, okreælanej terminem tensegralnoæ (tensegrity)*. Od-
nosi si« on do uk¸adu, ktry sam mechanicznie si« stabilizuje,
poniewaý napr«ýenia rozcigajce i æciskajce w obr«bie struk-
tury s w odpowiedni sposb rozprowadzane i rwnowaýone.
26 å
WIAT
N
AUKI
Marzec 1998
F
ormy ýywe stanowi kraÄcowy przyk¸ad z¸oýonoæci
Pewnego dnia to fundamentalne odkrycie mog¸oby zna-
le praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach. Na przy-
k¸ad nowe pojmowanie tensegralnoæci na poziomie komrko-
wym pozwoli¸o nam lepiej zrozumie, w jaki sposb kszta¸t
komrki i si¸y mechaniczne, takie jak ciænienie w naczyniach
krwionoænych i si¸y æciskajce w koæciach, wp¸ywaj na aktyw-
noæ genw. Jednoczeænie g¸«bsze zrozumienie zasad rzdz-
cych zjawiskiem samosk¸adania umoýliwi lepsze wykorzy-
stanie szybko narastajcych danych o w¸aæciwoæciach cz-
steczek, komrek i innych biologicznych elementw budul-
cowych do rýnych celw Ð od syntezy lekw do inýynierii
tkankowej. Wyjaænienie, dlaczego tensegralnoæ jest tak po-
wszechna w przyrodzie, pozwoli rwnieý inaczej spojrze na
si¸y rzdzce organizacj materii biologicznej, a niewyklu-
czone takýe, ýe na ewolucj« ýycia.
chowuj mechaniczn stabilnoæ nie z powodu wytrzyma¸oæci
poszczeglnych sk¸adnikw, ale ze wzgl«du na sposb, w ktry
mechaniczne napr«ýenia s rozdzielone i zrwnowaýone w ca-
¸ym uk¸adzie. Konstrukcje te moýna zaliczy do dwch kate-
gorii. Do pierwszej naleý kopu¸y geodezyjne R. Buckminste-
ra Fullera Ð w zasadzie rama ze sztywnych rozpr, z ktrych
kaýda przenosi zarwno rozciganie, jak i æciskanie. Rozpory
s po¸czone w trjkty, pi«ciokty lub szeæciokty, a kaýda
z nich zorientowana jest tak, by z¸cza mi«dzy nimi pozostawa-
¸y nieruchome w okreælonej pozycji, co zapewnia stabilnoæ
ca¸ej konstrukcji.
Inna kategoria konstrukcji tensegralnych obejmuje te, kt-
re stabilizuj si« wewn«trznie dzi«ki zjawisku zwanemu na-
pr«ýeniem wst«pnym. Ten typ zosta¸ po raz pierwszy zre-
alizowany przez rzebiarza Kennetha Snelsona. W jego
eleganckich rzebach jedne elementy konstrukcyjne przeno-
sz tylko si¸y rozcigajce, a drugie Ð tylko æciskajce. Zatem
nawet przed zadzia¸aniem si¸y zewn«trznej na jeden z nich
wszystkie cz¸ony konstrukcji s juý rozcigni«te lub æciæni«-
te, a wi«c Ð wst«pnie napr«ýone. W takiej strukturze sztyw-
ne pr«ty przenoszce nap«ýenia æciskajce rozcigaj, czyli
napinaj elastyczne elementy, podczas gdy te z kolei æciska-
j w odpowiedzi sztywne rozpory. Te przeciwstawne si¸y,
ktrych wp¸ywy rwnowaý si« w obr«bie struktury, s w¸a-
ænie odpowiedzialne za jej stabilnoæ.
Konstrukcje tensegralne obu kategorii maj jedn wspln
podstawow w¸aæciwoæ Ð napr«ýenia s w cig¸y sposb prze-
noszone przez wszystkie ich elementy budulcowe. Innymi
s¸owy, wzrost napr«ýenia w jednym z nich powoduje wzrost na-
pr«ýenia w innych, nawet w tych, ktre znajduj si« po przeciw-
nej stronie struktury. Oglny przyrost napr«ýeÄ rozcigajcych
Co to jest tensegralnoæ?
Moje zainteresowanie tensegralnoæci datuje si« od czasw
przed uzyskaniem dyplomu w Yale University, czyli od po¸o-
wy lat siedemdziesitych. Studia nad biologi komrki oraz
rzeb uæwiadomi¸y mi, ýe odpowied na pytanie, w jaki spo-
sb powstaj ýywe istoty, ma mniej wsplnego z ich sk¸adem
chemicznym niý z architektur. Czsteczki i komrki tworz-
ce tkanki s wciý usuwane z organizmu
i zast«powane nowymi. Doszed¸em wi«c
do wniosku, ýe utrzymywanie wzor-
ca i struktury architektonicznej sta-
nowi istot« tego, co nazywamy
ýyciem. Konstrukcje oparte na
zasadzie tensegralnoæci za-
TENSEGRALNOå to cecha konstrukcji architektonicz-
nych, ktre ulegaj samostabilizacji dzi«ki zrwnowaýe-
niu przeciwnie dzia¸ajcych si¸ rozcigajcych i æciskaj-
cych; nadaje kszta¸t i wytrzyma¸oæ zarwno obiektom
pochodzenia naturalnego, jak i zbudowanym przez ludzi.
Cytoszkielet komrki
(w tle)
jest sieci wzajemnie po¸-
czonych mikrotubul i filamentw. Dynamiczne wsp¸za-
leýnoæci pomi«dzy elementami sk¸adowymi cytoszkieletu
przypominaj rzeb« Kennetha Snelsona
(na pierwszym
planie)
, w ktrej d¸ugie rozpory s po¸czone linkami.
å
WIAT
N
AUKI
Marzec 1998
27
KOPUüA GEODEZYJNA wytrzy-
muje okreælone obciýenie przy mi-
nimalnym zuýyciu materia¸w na
jej konstrukcj«.
jest rwnowaýony przyrostem napr«ýeÄ æciskajcych w
niektrych elementach. W ten sposb struktura ulega samo-
stabilizacji dzi«ki mechanizmowi, ktry Fuller okreæli¸ jako ci-
g¸e rozciganie i lokalne æciskanie. W przeciwieÄstwie do kon-
strukcji opartych na zasadzie tensegralnoæci stabilnoæ
wi«kszoæci budynkw jest wynikiem cig¸ego æciskania
konstrukcji przez si¸y grawitacji.
Elementy, ktre przenosz napr«ýenia rozcigajce w kon-
strukcjach tensegralnych, czy to w kopu¸ach Fullera, czy w
rzebach Snelsona, s rozmieszczone w stosunku do siebie
w najmniejszych moýliwych odleg¸oæciach (uk¸adaj si« zatem
zgodnie z definicj w form« geodezyjn). Si¸y rozcigajce
oczywiæcie przenosz si« po najkrtszym odcinku mi«dzy
dwoma punktami, elementy s wi«c tak precyzyjnie rozmiesz-
czone, by najlepiej wytrzyma napr«ýenia. Z tego w¸aænie po-
wodu konstrukcje tensegralne zapewniaj maksymaln wy-
trzyma¸oæ przy danej iloæci materia¸u budowlanego.
B«dc jeszcze doktorantem i pracujc z Jamesem D. Jamie-
sonem w Yale, skoncentrowa¸em si« nad zagadnieniem, w ja-
ki sposb sk¸adniki uk¸adw biologicznych, szczeglnie ko-
mrek, oddzia¸uj ze sob mechanicznie. W tym czasie, pod
koniec lat siedemdziesitych, biolodzy z zasady traktowali
komrk« jak lepki p¸yn lub ýel otoczony b¸on, czyli coæ, co
przypomina balon wype¸niony melas. Wiedziano juý wtedy,
ýe komrki zawieraj wewn«trzn sie Ð cytoszkielet zbudo-
wany z trzech rýnych typw polimerw bia¸kowych, zwa-
nych mikrofilamentami, filamentami poærednimi i mikro-
tubulami. Jednak rola tych biopolimerw w utrzymaniu
kszta¸tu komrki by¸a wtedy s¸abo poznana.
Jeszcze inn tajemnic otoczony by¸ wwczas sposb, w ja-
ki wyizolowane komrki zachowuj si« na rýnych pod¸o-
ýach. Od dawna by¸o wiadomo, ýe po przyczepieniu si« do
szklanych lub plastikowych szalek hodowlanych komrki
rozprzestrzeniaj si« i sp¸aszczaj. Jednak w 1980 roku Al-
bert K. Harris z University of North Carolina w Chapel Hill
zaobserwowa¸, ýe na gi«tkim gumowym pod¸oýu kurcz si«
i przybieraj kszta¸t bardziej sferyczny. To kurczenie si« po-
woduje powstawanie na nim fa¸d, czyli wybrzuszeÄ.
Przysz¸o mi wtedy na myæl, ýe spojrzenie na komrk« jak
na uk¸ad tensegralny, pozwoli¸oby ¸atwo wyt¸umaczy jej za-
chowanie. Zbudowa¸em model komrki jako takiej w¸aænie
struktury; sk¸ada¸ si« on z szeæciu drewnianych ko¸kw i kawa¸-
ka elastycznej linki. Ko¸ki, ktre przenosi¸y si¸y æciskajce, po-
¸czy¸em w trzy pary ustawione prostopadle do pozosta¸ych,
tak aby ýaden z nich nie dotyka¸ drugiego. Elastyczna linka
przenoszca si¸y rozcigajce ¸czy¸a ich koÄce w stabiln trj-
wymiarow struktur«. W ærodku wi«kszego modelu reprezen-
tujcego komrk« umieæci¸em podobny mniejszy, odpowia-
dajcy jdru komrkowemu. Nast«pnie, by naæladowa po-
¸czenia jdra z reszt komrki elementami cytoszkieletu, od
powierzchni wi«kszej struktury przecign¸em elastyczne lin-
ki wiodce do mniejszej [
grna ilustracja na stronie 29
].
ûeby zrozumie, jak przebiega¸ eksperyment, trzeba
wiedzie, ýe przyciæni«cie mojego modelu przekszta¸ca¸o go
w sp¸aszczony stos ko¸kw i linek. Zaraz po zdj«ciu nacisku
energia zmagazynowana w rozcigni«tych w¸knach po-
wodowa¸a, ýe model rozpr«ýa¸ si«, powracajc do wyjæcio-
wego z grubsza sferycznego kszta¸tu. W celu symulacji za-
chowania si« komrek na pod¸oýu, szklane lub plastikowe
szalki prbowa¸em zastpi nacigni«t tkanin mocno przy-
pi«t pinezkami do p¸askiej drewnianej deski. Nast«pnie
sp¸aszczony model przyczepi¸em do tak przygotowanego
Od szkieletu do cytoszkieletu
Co wsplnego ma tensegralnoæ z ludzkim cia¸em? Zasady
tensegralnoæci stosuj si« praktycznie na kaýdym poziomie
organizacji, w kaýdej skali spotykanej w organizmie. Na po-
ziomie makroskopowym 206 koæci, ktre tworz nasz szkie-
let, wznosi si« wbrew sile grawitacji i utrzymuje w pozycji
pionowej dzi«ki napi«ciu mi«æni, æci«gien i wizade¸ (pe¸ni-
cych podobn funkcj« jak liny w rzebach Snelsona). Innymi
s¸owy, w skomplikowanej strukturze tensegralnej w ciele
kaýdego z nas koæci s elementami wytrzyma¸ymi na æciska-
nie, a mi«ænie, æci«gna i wizad¸a Ð na rozciganie. Na drugim
koÄcu uorganizowania materii znajduj si« bia¸ka i inne waý-
ne dla organizmu czsteczki, ktrych struktura rwnieý sta-
bilizuje si« dzi«ki zasadom tensegralnoæci. Moje w¸asne za-
interesowania umieszczam pomi«dzy tymi dwoma skrajnymi
przyk¸adami Ð na poziomie komrkowym.
ûYWE KOMîRKI, przyczepiajc si« do cienkiego gumowego pod-
¸oýa, dzia¸aj na nie æcigajco i powoduj jego pofa¸dowanie.
pod¸oýa, przyszywajc koÄce nie-
ktrych ko¸kw do materia¸u. Te
ãszwyÓ mia¸y odpowiada czstecz-
kom bia¸ek rozmieszczonych na po-
wierzchni komrki, zwanych obec-
nie integrynami lub receptorami
adhezyjnymi, ktre fizycznie ¸cz
komrk« z pod¸oýem.
Po ãprzyszyciuÓ koÄcw patykw
do nacigni«tej tkaniny model pozo-
stawa¸ p¸aski, tak jak prawdziwa ko-
mrka na sztywnym pod¸oýu. Kiedy
jednak usun¸em pinezki przypinajce materia¸ do deski, a za-
tem uczyni¸em pod¸oýe bardziej gi«tkie, mj model szybko
przybra¸ form« sferyczn, wybrzuszajc ponadto znajdujc
si« pod nim tkanin«. Co wi«cej, kiedy przyk¸adajc nacisk,
sp¸aszcza¸em model komrki po¸czonej z pod¸oýem, zarw-
no ona, jak i znajdujce si« wewntrz jdro porusza¸y si« i zmie-
nia¸y kszta¸t w sposb skoordynowany. Model jdra w«dro-
wa¸ zatem w kierunku podstawy sztucznej komrki. Wkrtce
po przeprowadzeniu opisanego doæwiadczenia zaobserwo-
wa¸em, ýe rwnieý ýywe komrki i ich jdra zmieniaj swj
kszta¸t i polaryzuj si« po adhezji do pod¸oýa. A wi«c za pomo-
c bardzo uproszczonego modelu pokaza¸em, ýe struktury ten-
segralne naæladuj rzeczywiste zachowanie ýywych komrek.
JDRO
MODEL TENSEGRALNY zosta¸ zbudowa-
ny z ko¸kw i elastycznych linek. Jak ýywa
komrka i jej jdro model umieszczony na
sztywnej powierzchni ulega sp¸aszczeniu
(z lewej)
, a powraca do sferycznego kszta¸-
tu na elastycznym pod¸oýu, powodujc je-
go pofa¸dowanie
(z prawej)
.
powodujca napr«ýenia æciskajce. Innymi s¸owy, sie ta cignie
b¸on« komrkow i wewn«trzne sk¸adniki komrki w stron« j-
dra. W kierunku przeciwnym dzia¸aj dwa typy elementw
æciskanych, z ktrych jedne znajduj si« poza komrk, a dru-
gie w jej wn«trzu. Sk¸adnikiem zewn«trznym jest macierz ze-
wntrzkomrkowa, natomiast æciskanymi ãdwigaramiÓ we
wn«trzu komrki mog by albo mikrotubule, albo p«czki usie-
ciowanych mikrofilamentw. Trzeci sk¸adnik cytoszkieletu,
filamenty poærednie, to wielkie integratory ¸czce mikrotu-
bule z mikrofilamentami kurczliwymi, a takýe z b¸on po-
wierzchniow i jdrem komrkowym. Dodatkowo spe¸niaj
one rol« elementw odcigajcych, usztywniajc i mocujc j-
dro w miejscu. Wprawdzie cytoszkielet otaczaj b¸ony i prze-
nika lepka ciecz, lecz w¸aænie on Ð konstrukcja molekularnych
rozpr i lin Ð stabilizuje kszta¸t komrki.
Usieciowanie komrki
W latach, ktre nastpi¸y po moim eksperymencie z mo-
delowaniem zachowania komrek na pod¸oýu, biolodzy zdo-
byli ogromn wiedz« o ich mechanicznych w¸aæciwoæciach.
Odkrycia te zdaj si« potwierdza, ýe komrki rzeczywiæcie
zawdzi«czaj swj kszta¸t tensegralnoæci. Ponadto tak jak
przewidywa¸y opisane wyýej modele, struktura wi«kszoæci
komrek zaleýy nie tylko od istnienia cytoszkieletu zbudo-
wanego z trzech g¸wnych typw filamentw, ale takýe od
macierzy zewntrzkomrkowej Ð rodzaju zakotwiczajcego
zr«bu, na ktrym unieruchomione s komrki organizmu.
Wewntrz komrki rozciga si« paj«cza sie kurczliwych
mikrofilamentw, najwaýniejszych sk¸adnikw cytoszkieletu,
POWIERZCHNIA KOMîRKI
CYTOSZKIELET komrki sk¸ada si« z nanometrowej szerokoæci
mikrofilamentw
(na dole z lewej)
, mikrotubul
(na dole poærod-
ku)
i filamentw poærednich
(na dole z prawej)
. Okrg¸y kszta¸t
w pobliýu ærodka kaýdej z tych fotografii to jdro komrkowe.
Wymienione trzy sk¸adniki ¸cz si«, tworzc sie cytoszkiele-
tu, ktra rozciga si« mi«dzy powierzchni komrki a jdrem
(grny rysunek)
. Molekularn struktur« kaýdego sk¸adnika przed-
stawiono nad odpowiadajc mu fotografi i pokolorowano w ta-
ki sam sposb jak na rysunku u gry.
JDRO
CYTOSZKIELET
MIKROFILAMENTY
MIKROTUBULE
FILAMENTY POåREDNIE
CIAüO KOMîRKI
NEURYT
KOMîRKA NERWOWA ma d¸ug wypustk« zwan neurytem, ktry tworzy ¸cza elektryczne z ssiadujcymi neuronami
(z lewej i gr-
ny schemat z prawej)
. Neuryt wyciga si« z komrki
(rysunki z prawej)
m.in. podczas naprawy uszkodzenia dzi«ki wyd¸uýaniu si« we-
wn«trznych w¸kien molekularnych zwanych mikrotubulami
(fioletowy)
. Mikrotubule otoczone s mikrofilamentami kurczliwymi
(czerwony)
, ktre je æciskaj i ograniczaj ich wzrost. Mikrofilamenty te s jednoczeænie po¸czone z innymi
(pomaraÄczowy)
biegncy-
mi do punktw przyczepienia komrki do pod¸oýa
(schemat ærodkowy)
. Kiedy mikrofilamenty podcigaj si« do przodu, przeciwdzia-
¸ajc sile adhezji, umoýliwiaj mikrotubulom wyd¸uýanie si« i dzi«ki temu Ð ca¸emu neurytowi
(schemat na dole
).
Jeæli komrka i jdro s fizycznie po¸czone rozcigliwymi
filamentami, a nie tylko p¸p¸ynnym cytosolem, szarpni«cie
receptorw na powierzchni komrki powinno wywo¸a na-
tychmiastowe zmiany w jej wn«trzu. Niedawno Andrew Ma-
niotis, cz¸onek mojego zespo¸u w ChildrenÕs Hospital przy Ha-
rvard Medical School, wykaza¸ to bezpoærednio. Pocigajc
mikropipetami receptory adhezyjne na powierzchni ýywej ko-
mrki, spowodowa¸, ýe filamenty cytoszkieletu i struktury j-
drowe zmieni¸y natychmiast swoje po¸oýenie zgodnie z kie-
runkiem przy¸oýonej si¸y. A zatem, jak sugerowa¸y wyniki
moich wczeæniejszych doæwiadczeÄ, komrki i ich jdra nie
zachowuj si« jak nape¸nione lepk ciecz balony.
neurytu, wywo¸ane jest przeniesieniem miejsc przy¸oýenia
si¸ æciskajcych z mikrotubul na miejsca przyczepienia ko-
mrki do macierzy zewntrzkomrkowej. Innymi s¸owy, za-
chowanie rwnowagi si¸ na poziomie molekularnym wed¸ug
zasady tensegralnoæci jest p¸aszczyzn, na ktrej stykaj si«
i wsp¸istniej prawa mechaniki i biochemii.
Niedawno Andrew Matus z Friedrich Miescher-Institut
w Bazylei znalaz¸ ciekawe uzupe¸nienie ca¸ej historii. Dzi«ki
wyhodowaniu komrek, ktre wytwarzaj fluoryzujce mi-
krotubule, zaobserwowa¸ wykrzywianie si« tych struktur
w wyniku æciskania.
Na podstawie analizy modelu tensegralnego wywniosko-
wano, ýe struktura cytoszkieletu komrki moýe si« zmieni
w wyniku zaburzenia rwnowagi si¸ dzia¸ajcych na jej po-
wierzchni«. Jest to waýna obserwacja, poniewaý wiele enzy-
mw oraz innych czsteczek, ktre kontroluj syntez« bia-
¸ek, przemiany energetyczne i wzrost komrki, jest fizycznie
unieruchomionych na cytoszkielecie. Dlatego zmieniajc geo-
metri« i mechanik« cytoszkieletu, moýemy wp¸ywa na re-
akcje biochemiczne, a nawet zaburzy funkcje tych genw,
ktre s aktywowane w wyniku oddzia¸ywania z cytoszkie-
letem, a zatem takýe syntez« bia¸ek.
By szczeg¸owo zbada wymienione moýliwoæci, Rahul
Singhvi i Christopher S. Chen z mojej grupy, wsp¸pracujc
z GeorgeÕem M. Whitesidesem rwnieý z Harvardu, opraco-
wali metod« zmiany kszta¸tu i funkcji komrki. Naukowcy
ci zmuszali ýywe komrki do przyjmowania rýnych kszta¸-
tw Ð sferycznych lub sp¸aszczonych, okrg¸ych lub kancia-
stych Ð umieszczajc je na cienkich adhezyjnych ãwysepkachÓ
zawierajcych sk¸adniki macierzy zewntrzkomrkowej. Kaý-
d ãwysepk«Ó otacza¸ materia¸ podobny do teflonu, do kt-
rego komrki nie mog¸y si« przyczepi.
W prosty sposb, zmieniajc kszta¸t komrki, wspomnie-
ni badacze powodowali w¸czanie rýnych genetycznych
programw. Komrki rozp¸aszczone ulega¸y przewaýnie po-
dzia¸om, natomiast sferyczne, ktrym uniemoýliwiono roz-
p¸aszczenie, w¸cza¸y program æmierci nazywany apoptoz.
Komrki o kszta¸cie poærednim ani si« nie dzieli¸y, ani nie
gni«¸y. Ulega¸y natomiast procesom rýnicowania obser-
wowanym podczas tworzenia si« tkanek. A zatem niektre
komrki tworzy¸y naczynia w¸osowate, komrki wtroby
Si¸y mechaniczne a procesy biochemiczne
Zasad tensegralnoæci moýna wyt¸umaczy teý inne zja-
wiska, nie tylko stabilizacj« kszta¸tu komrki i jdra. Na przy-
k¸ad Steven R. Heidemann, wsp¸pracujc w po¸owie lat
osiemdziesitych z Harishem Joshim i Robertem E. Buxbau-
mem z Michigan State University, stwierdzi¸, ýe tensegral-
noæ moýe wyjaæni, w jaki sposb komrki nerwowe wy-
twarzaj d¸ugie, cienkie, wype¸nione mikrotubulami
wypustki, zwane neury-
tami, i s¸uýce do przesy-
¸ania sygna¸w elektrycz-
nych w uk¸adzie nerwo-
wym. Ich wzrost jest nie-
odzowny w procesach na-
prawy uszkodzeÄ w¸-
kien nerwowych.
Grupa Heidemanna
stwierdzi¸a, ýe wewntrz
neurytw koÄce mikrotu-
bul s æciskane przez do-
czepione do nich mikrofi-
lamenty kurczliwe. Co
waýniejsze, badacze ci od-
kryli, ýe tworzenie si« (sa-
mosk¸adanie) mikrotubul,
czyli ich elongacja i wyni-
kajce z tego wyd¸uýanie
30 å
WIAT
N
AUKI
Marzec 1998
ROSNCA MIKROTUBULA napr«ýa
si« i wygina pod wp¸ywem æciskania,
co wida na poklatkowych zdj«ciach
wideo. Zachodzi to wtedy, gdy wyd¸u-
ýajc si«, naciska ona inne sk¸adniki
komrkowego cytoszkieletu.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]