Третье поколение ксеноботов

Пакманы из стволовых клеток лягушки оказались способны к самокопированию

Александр Дубов, N+1

Американские биологи собрали из стволовых клеток лягушки кластеры, которые способны практически к бесконечному самокопированию. Кластер в форме сфероида с разрезом (внешне он напоминает Пакмана) сгребает одиночные стволовые клетки в новый кластер такой же формы, который через пять дней может тоже начать собирать из отдельных клеток собственные копии. Раньше такой способ самокопирования и самоорганизации в клеточных системах не наблюдали, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences (Kriegman et al., Kinematic self-replication in reconfigurable organisms).

Рисунки из статьи Kriegman et al.

Способность к самовоспроизведению — одно из ключевых свойств любой живой системы. Процессы создания копий (или аналогов) целого организма, отдельной клетки или даже молекулы необходимы для выживания вида или отдельной особи. На уровне организмов и клеток принцип самовоспроизведения — выращивание себе подобной системы под контролем родительского организма, при этом стадии развития дочернего организма оттачиваются в ходе эволюции. Самовоспроизведение на уровне отдельных молекул происходит иначе: это полное копирование химической и пространственной структуры. Копирование — значительно более быстрый и гибкий процесс, и для отдельных молекул молекул его провести сравнительно просто, но вот на уровне сложных клеточных структур в природе не наблюдается. 

Американские биологи под руководством Джоша Бонгарда (Josh Bongard) из Университета Тафтса обнаружили, что и клеточные кластеры могут производить собственные копии, просто собирая отдельные клетки в подобную себе структуру. Чтобы показать реалистичность такого способа, ученые использовали стволовые клетки из бластулы гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Если взять стволовые клетки с анимального полюса зародыша, то в соленом водном растворе при температуре 14 градусов Цельсия они за пять суток естественным образом развиваются до сфероидных кластеров из примерно трех тысяч клеток. Внутри этих кластеров оказываются клетки эпидермиса, а на поверхности — клетки мерцательного эпителия, благодаря которым кластер может активно двигаться.

Движение сфероидных кластеров в среде из одиночных стволовых клеток лягушки

Ученые обнаружили, что если эти клеточные сфероиды попадают в среду, в которой много одиночных стволовых клеток, то активно двигаясь в ней, кластеры могут «сгребать» отдельные клетки в новые кластеры второго поколения, которые спустя пять дней вырастают до сфероидов с аналогичной структурой.

Если клеточные кластеры второго поколения отделить от родительских кластеров и тоже поместить в среду с большим количеством одиночных стволовых клеток, то они точно так же за счет случайного активного движения собирают эти клетки в новые кластеры. Однако через одно или два поколения способность к самокопированию теряется — либо из-за нарушения формы, либо из-за изменения траекторий движения.

Цикл самовоспроизведения сфероидных клеточных кластеров. Дочернее поколение сфероидов извлекаются, вызревает и помещается в среду из одиночных стволовых клеток, где продолжает самокопирование

Чтобы увеличить число поколений, через которое клеточные кластеры теряют способность создавать собственные копии, ученые использовали компьютерное моделирование. Оказалось, что для воспроизводимости достаточно немного модифицировать форму кластера, сделав в сфероиде углубления или отверстия. Проверив множество различных возможных форм с помощью эволюционного алгоритма, описывающего двумерные массивы частиц, ученые нашли форму, которая позволяет самокопироваться практически до бесконечности. Кластер, напоминающий по форме Пакмана, сгребает клетки в себе подобные структуры, которые потом через пять дней могут делать то же самое.

Модель движения сфероидных кластеров с разрезом в среде из одиночных стволовых клеток

Ученые отмечают, что предложенный ими механизм самокопирования не требует никакой генной модификации и дополнительного контроля химических взаимодействий — это чисто кинематический механизм в кластерах из обычных стволовых клеток. За счет этого можно копировать кластеры с очень широким разбросом по размерам. По словам исследователей, результаты их работы позволяют лучше понять, в каких условиях в живых организмах вообще возможно самовоспроизведение, а также могут оказаться полезными и для создания аналогичных искусственных систем.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru