MIT araştırmacıları denizyıldızı hücrelerini ışığa tepki olarak morfolojik değişikliklere uğrayacak şekilde manipüle ediyor.
Bu araştırma, yara iyileştirme veya ilaç dağıtım uygulamaları için sentetik, ışığa duyarlı hücrelerin geliştirilmesini kolaylaştırabilir.
Yaşam, her bir hücrenin hareketiyle oluşur. Belirli protein ve enzimlerden gelen sinyallere yanıt olarak bir hücre hareket ve salınım başlatabilir, bu da sıkışma, kıstırma ve nihayetinde bölünmeyi kolaylaştıran kasılmalarla sonuçlanır. Yavru hücreler daha sonra nesil soyu boyunca ilerleyerek çoğalır, farklılaşır ve nihayetinde tam bir organizmaya dönüşür.
MIT bilim insanları, ilk gelişim aşamasında tek bir hücrenin hareketini ve salınımını düzenlemek için ışıktan yararlandı. Araştırmacılar, tarihsel olarak hücresel büyüme ve gelişmeyi anlamak için mükemmel bir model olarak hizmet etmiş bir canlı olan denizyıldızı tarafından üretilen yumurta hücrelerinin hareketini incelediler.
Denizyıldızı Hücreleri Işığa Duyarlı Hale Getirildi
Araştırmacılar, denizyıldızı oositinde bir dizi faaliyeti başlatan çok önemli bir enzime odaklandılar. Enzimin ışığa duyarlı bir varyantını genetik olarak tasarladılar ve bu varyant daha sonra yumurta hücrelerine sokularak çeşitli ışık modelleriyle aktive edildi.
Işık enzimi etkin bir şekilde aktive etti ve bu da hücrelerin salınım yapmasına ve sistematik kalıplarda hareket etmesine neden oldu. Örneğin, bilim insanları kullandıkları ışık düzenine bağlı olarak hücreleri küçük kıstırmalar veya geniş kasılmalar göstermeye teşvik edebiliyorlardı. Bir hücreyi çevreleyen belirli noktaları aydınlatarak şeklini daireselden kareye dönüştürebilirler.
Nature Physics dergisinde yayınlanan bulguları, araştırmacılara ilk gelişim aşamaları boyunca hücre morfolojisini manipüle etmek için yeni bir optik araç sunuyor.
Araştırmacılar, yaranın kapanmasına yardımcı olmak için ışık sinyallerine yanıt olarak büzülen terapötik “yama” hücreleri ya da sadece vücuttaki kesin bölgelerde aydınlatıldığında içeriklerini serbest bırakan ilaç verici “taşıyıcı” hücreler de dahil olmak üzere sentetik hücrelerin yapımını kolaylaştırabilecek bir araç öngörüyorlar. Araştırmacılar bulgularını, tekil bir hücreden yaşamın gelişimini araştırmak için yeni bir yaklaşım olarak görüyorlar.
MIT’de fizik profesörü olan Nikta Fakhri, “Işıkla aktive olan bir anahtarın hücreleri dinamik olarak nasıl değiştirebileceğini göstererek, canlı sistemlerin kendi kendini organize etmesini ve morfolojik evrimini yöneten temel tasarım ilkelerini aydınlatıyoruz” diyor. “Bu araçlar, büyüme ve gelişme süreçlerini aydınlatmamızı sağlayarak doğanın mekanizmalarını kavrayışımızı geliştiriyor.”
Hücresel Devreler
Fakhri’nin MIT’deki araştırma ekibi, hücresel büyüme ve gelişmeyi yöneten fiziksel süreçleri araştırıyor. Özellikle simetri ve hücrelerin büyüme ve bölünme boyunca simetriye nasıl bağlı kaldıklarını veya simetriyi nasıl bozduklarını belirleyen mekanizmalar ilgisini çekmektedir. Beş uzuvlu denizyıldızının büyüme, simetri ve erken gelişimle ilgili soruları araştırmak için örnek bir organizma olduğunu ileri sürüyor.
Fakhri, “Denizyıldızı, simetrik bir hücreyle başlayıp iki taraflı simetrik bir larva evresine ilerlediği ve nihayetinde pentameral simetriye sahip bir yetişkine dönüştüğü için ilgi çekici bir organizmadır” diyor. “Hücreye organizasyonel gereksinimleri konusunda talimat vermek için çok sayıda sinyal süreci gerçekleşir.”
Araştırmacılar denizyıldızını ve çoklu gelişim aşamalarını kapsamlı bir şekilde inceledi.
Araştırmacılar, denizyıldızı yumurta hücresi içinde, hareketini ve morfolojisini düzenleyen çok önemli bir “devre” tanımladılar. Bu devre, doğal olarak bir hücrenin sitoplazmasında bulunan bir enzim olan GEF’i içerir. Aktivasyon üzerine bu enzim, hücresel dinamiklerin düzenlenmesi için çok önemli olan Rho proteininde bir modifikasyon oluşturur.
GEF enzimi Rho’yu aktive ettiğinde, proteinin çoğunlukla serbest yüzen bir formdan hücre zarı ile birleşen bir forma geçmesine neden olur. Bu zara bağlı durumda protein, zar boyunca uzanan ve daha sonra kasılarak hücresel hareketi kolaylaştıran mikroskobik, kas benzeri liflerin oluşumunu başlatır.
Fakhri’nin grubu, bir hücrenin hareketliliğinin GEF enziminin miktarını değiştirerek düzenlenebileceğini gösterdi; artan enzim seviyeleri, hücresel kasılmaların artmasına neden oluyor. Aynı zamanda “Bu kavram bizi, sadece bir hücrenin hareket modelini değiştirmek için değil, aynı zamanda belirli bir mekanik tepkiyi ortaya çıkarmak için bu devreyi manipüle etmenin fizibilitesini düşünmeye sevk etti” şeklinde de Fakhri’nin açıklaması var.
Hücre Hareketleri Kontrol Edilebilir mi?
Bilim insanları, hücre hareketlerini doğru bir şekilde kontrol etmek için optogenetiği kullandılar ve hücreleri ve proteinler ve enzimler de dahil olmak üzere bileşenlerini ışık uyaranlarına yanıt verecek şekilde değiştirmek için genetik mühendisliğini kullandılar.
mRNA’nın izole Edilmesi
Araştırmacılar, standart optogenetik teknikleri kullanarak GEF enziminin ışığa duyarlı bir varyantını oluşturdular. Sentezi için genetik plan görevi gören bu değiştirilmiş enzimden mRNA’yı izole ettiler. Araştırmacılar daha sonra bu planı, milyonlarca döllenmemiş hücre içerebilen tek bir denizyıldızı yumurtalığından elde edilen yumurta hücrelerine enjekte ettiler. Yeni mRNA ile aşılanan hücreler daha sonra ışığa duyarlı GEF enzimlerinin otonom üretimine başladı.
Hücrenin Hareketlerinin İncelenmesi
Araştırmacılar daha sonra enzim aşılanmış her yumurta hücresini bir mikroskop altına yerleştirdi ve hücreyi çevresi boyunca çeşitli desenlerle ve çoklu açılardan aydınlattı. Hücrenin reaksiyon halindeki hareketlerinin videolarını kaydettiler.
Işığın belirli noktalara yönlendirilmesinin GEF enzimini tetiklediğini ve bunun da Rho proteinini aydınlatılmış bölgelere çektiğini keşfettiler. Protein daha sonra, ışıkla aktive edilen aynı noktalarda hücreyi büzen ya da daraltan kas benzeri liflerden oluşan kendine özgü kaskadını başlattı. Bir kuklayı manipüle etmeye benzer şekilde, hücrenin hareketlerini yöneterek onu kare gibi çeşitli şekillere dönüşmesi için yönlendirebiliyorlardı.
Beklenmedik bir şekilde, belirli bir alanın aydınlatılmasının, hücrenin belirli bir enzim konsantrasyon eşiğini aşarak kapsamlı kasılmalar yapmasına neden olabileceğini keşfettiler.
Fakhri, “Bu Rho-GEF devresinin uyarılabilir bir sistem olarak işlediğini keşfettik; burada küçük, hassas bir şekilde zamanlanmış bir uyaran, önemli, ya hep ya hiç tepkisini ortaya çıkarabilir” diyor. “Ya tüm hücreyi ya da belirli bir lokalize bölgeyi aydınlatabiliriz, böylece otonom kasılmayı veya sıkışmayı başlatmak için o bölgeye yeterli enzimi toplayabiliriz.”
Araştırmacılar bu sonuçları bir araya getirdi ve ışık uyarımına yanıt olarak bir hücrenin morfolojisindeki değişiklikleri öngörmek için teorik bir çerçeve oluşturdu.
Uyarılabilirlik, Hücresel Yeniden Şekillenmenin Anahtarı!
Fakhri’ye göre bu çerçeve, embriyonik gelişim ve yara iyileşmesinde çok önemli bir süreç olan hücresel yeniden şekillenmenin merkezinde yer alan “uyarılabilirlik” hakkında fikir veriyor.
Kendisi şöyle diyor: “Bu çalışma, ‘programlanabilir’ sentetik hücrelerin tasarımı için bir çerçeve sunarak, araştırmacıların ileriye dönük biyomedikal uygulamalar için şekil değişikliklerini kendi takdirlerine göre manipüle etmelerini sağlıyor.”
Kaynak: physics.mit.edu/news/mit-scientists-engineer-starfish-cells-to-shape-shift-in-response-to-light/
Haberi Derleyen: Hasan Ongan – https://www.linkedin.com/in/hasan-ongan/
