Na procesy biologiczne można patrzeć nie tylko z klasycznej – genetycznej czy biochemicznej – perspektywy. Międzynarodowy zespół naukowców sprawdził, czy proces kształtowania się tkanek można też kontrolować. Wyniki prac wraz z analizą autorstwa badaczki z Uniwersytetu Warszawskiego ukazały się na łamach „Science”.
To, w jaki sposób wyglądają tkanki żywych organizmów, w klasycznym ujęciu zależy od ich „programu” genetycznego oraz od sił mechanicznych działających na komórki – ich wzrostu, podziałów czy wzajemnych oddziaływań. Dr Paul Guillamat z Instytutu Bioinżynierii Katalonii (IBEC) wraz z zespołem postanowił sprawdzić, czy proces kształtowania się tkanek można nie tylko obserwować, ale też kontrolować. Naukowcy przeprowadzili eksperyment polegający na wytworzeniu na miękkim podłożu precyzyjnego wzoru z fibronektyny – białka macierzy zewnątrzkomórkowej – z celowo rozmieszczonymi defektami topologicznymi. Hodowane na takim podłożu komórki fibroblastów układały się zgodnie z wzorem, owijając się wokół miejsc defektów i tworząc uporządkowaną warstwę zachowującą się jak ciekły kryształ.
Okazuje się, że żywe tkanki można zaprogramować w taki sposób, by przyjmowały określone trójwymiarowe kształty. W zależności od liczby i rozmieszczenia defektów płaska warstwa komórek po odklejeniu od podłoża samoczynnie wygina się w przewidywalne formy, takie jak miseczki czy kształty siodłowe. Wyniki badań mogą pomóc m.in. w lepszym zrozumieniu podstaw tworzenia się skomplikowanych kształtów w przyrodzie oraz w rozwoju medycyny regeneracyjnej i projektowaniu „inteligentnych materiałów” przyszłości, które zmieniają kształt w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne.
Nie tylko geny czy biochemia mają wpływ na procesy biologiczne. Równie ważna jest np. geometria i fizyka – mówi dr hab. Łucja Kowalewska z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, która wraz z prof. Johnem W. C. Dunlopem z Uniwersytetu w Salzburgu opublikowała swoją opinię na temat tych badań.
Dodaje, że defekty topologiczne celowo wprowadzone do białkowego podłoża nie tylko zmieniają kształt struktury, ale również stają się swego rodzaju „sterownikami” dyktującymi sposób zachowywania się komórek rosnących na tej powierzchni.
Często wystarczy zmienić warunki fizyczne, np. wprowadzić lokalną krzywiznę, by wpłynąć na rozwój danej struktury. Pokazuje to, że obok genów istotną rolę w kształtowaniu organizmów odgrywają również czynniki fizyczne i geometryczne – tłumaczy dr hab. Łucja Kowalewska.
Zajmuje się biologią roślin, a jej główną metodą badawczą jest mikroskopia. W wywiadzie udzielonym w październiku ubiegłego roku przy okazji zdobycia przez nią Nagrody NCN w obszarze nauk o życiu mówiła nam:
Z danych mikroskopowych chcemy wyciągnąć jak najwięcej, przełamując jednocześnie paradygmat myślenia o danych obrazowych i kształtach błon jako jedynie ładnych ilustracjach. Z uzyskanych obrazów czerpiemy zarówno dane jakościowe, jak i ilościowe, pokazujemy, że analiza struktury w skali nano sama w sobie może być interesującym zagadnieniem.
Jak przyznawała, jej badania mają wiele wspólnego z architekturą, ale nie rozumianą w dzisiejszy sposób, lecz architekturą przyszłości – dynamiczną, w której nie będziemy projektować jedynie statycznych budynków, a raczej takie, które będą zdolne do zmiany swoich kształtów czy struktury elementów elewacji, w zależności od natężenia światła, wilgotności i innych czynników.
W moich badaniach skupiam się na tym, czemu kształt jest tak ważny, czemu błony biologiczne wyglądają tak, a nie inaczej, jaką rolę dla funkcji biologicznej błony ma właśnie jej kształt w skali nano. Czy np. kompleksy białkowe ułożone są w taki, czy inny sposób na powierzchni płaskiej lub zakrzywionej błony i jak wpływa to na możliwość przeprowadzenia reakcji i ich wydajność. W wielu aspektach wiemy już, że kształt ma znaczenie, a w niektórych to wciąż tajemnica. Próbujemy ją rozwikłać stosując nowe metody, które rozwijamy, a także różnego rodzaju stresory, które wywołają określoną reakcję – tłumaczyła kierowniczka Zakładu Anatomii i Cytologii Roślin na Wydziale Biologii UW oraz liderka Grupy Nanomorfologii Plastydów w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW.
Jej najnowszy, napisany wspólnie z prof. Dunlopem, artykuł typu perspective powstał w związku z kierowniczą rolą obojga autorów w European Curvature and Biology Network. To międzynarodowa sieć badawcza (finansowana obecnie w ramach akcji COST EuroCurvoBioNet), która integruje naukowców reprezentujących różne dyscypliny, zainteresowanych tematem kształtów i krzywizny w przyrodzie.
Jej celem jest zacieśnienie współpracy między różnymi dyscyplinami, aby poznać wpływ krzywizny powierzchni na zachowanie komórek i tkanek. Ta akcja ma nie tylko połączyć osoby z różnych dyscyplin – biologii, matematyki, fizyki, medycyny, inżynierii materiałowej, a nawet architektury – lecz także nauczyć ich wspólnego języka w opisywaniu i rozumieniu krzywizn. W mojej grupie pracujemy na skali nano, inne zespoły – na tkankach. Mała krzywizna dla nich i dla mnie znaczy zupełnie co innego. A są jeszcze osoby zajmujące się na przykład krzywizną krajobrazu czy krzywizną żuchwy, a to całkiem inne skale. Mimo to wszyscy możemy się porozumieć i zrozumieć, że podobne mechanizmy działają na różnych poziomach organizacyjnych – przekonywała w wywiadzie dla „Forum Akademickiego”.
Zarówno artykuł międzynarodowego zespołu, jak i opinia współautorstwa polskiej badaczki ukazały się na łamach „Science”.
Mariusz Karwowski, źródło: UW
Dr hab. Łucja Kowalewska: Przejawem patriotyzmu jest dla mnie prowadzenie badań w Polsce
Dla wyjasnienia - Pani nie jest autorem artykulu w Science tylko opini o nim (?)