כיצד מתפתחים עוברים? מדוע קליפת המוח של היונק מתקפלת? איך אנחנו מרגישים מגע בקצות האצבעות שלנו? שאלות ביולוגיות בסיסיות אלו ואחרות נותרו בלתי פתורות. עם זאת, מדענים יודעים שכולם מסתמכים על עיקרון משותף: המרת גירוי פיזי לאות ביוכימי.
תחום המכנוביולוגיה צבר לאחרונה תובנות חדשות לגבי אילו אותות פיזיקליים עוברים על פני תאים ועד כמה הם מתפשטים. אחד הממצאים העיקריים הוא שהתכונות הריאולוגיות של קרום התא (איך הוא מתעוות וזרם תחת לחץ) משחקות תפקיד מפתח בהתפשטות כזו. ובכל זאת, פרטים רבים של המנגנון המורכב הזה נותרו לא ברורים.
חוקרי ה-ICFO, ד"ר פרדריק קטלה-קסטרו וד"ר ניוס סנפליו-קרדן, בראשות פרופ' ב-ICFO מייקל קריג, יחד עם קבוצתו של פרופ' פדמיני רנגמאני מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, שופכים כעת יותר אור על האופן שבו נוירונים מעבירים מתחים ומתח דרך הממברנות שלהם. ב א פיזיקת הטבע במאמר, הם מציגים את התיאור המפורט ביותר עד כה של התהליכים המולקולריים העומדים בבסיס תופעה זו. המחקר מתמקד בשני קולטנים שונים בתולעת העגול Caenorhabditis elegans: קולטני מגע, המגיבים מהר מאוד למגע, ופרופריוצפטורים, שחשים עיוותים מהירים של הגוף עצמו במהלך התנועה.
מסקרנות ועד לתובנה בעלת ערך
מעניין שהמחקר הזה התחיל כפרויקט צדדי, שנבע מדיווחים סותרים קודמים בספרות.
עבודתנו בעבר התמקדה בשלד הציטוס, אבל התחלנו לתהות האם קרום הפלזמה יכול להעביר גם מידע מכני".
פרופ' מיכאל קריג, המחבר הראשי של המחקר
כדי לחקור זאת, הם השתמשו במנגנון פינצטה אופטי, כלי המבוסס על קרני לייזר ממוקדות ביותר שיכול גם לתפעל עצמים מיקרוסקופיים וגם למדוד כוחות בדיוק יוצא דופן. בניסויים שלהם, החוקרים חיברו שתי מיקרוספרות פלסטיק לאקסונים או לנויריטים של הנוירונים המבודדים, משכו אותם בפינצטה האופטית ומדדו כיצד המתח שנוצר עובר מאחד לשני בדיוק יוצא דופן (בסולם פיקו ניוטון ומילישניות).
התוצאות הראו שהתפשטות המתח מהירה יותר בקולטני מגע מאשר בקולטני פרופריו. מסקרן אף יותר, החוקרים גילו שהתפשטות מושפעת לא רק מנוכחותם של מכשולים בממברנה – בעיקר חלבונים משובצים – אלא גם מהאופן שבו מכשולים אלה מסודרים.
מודלים מתמטיים, יחד עם נתונים ניסויים, גילו שכאשר מכשולים מיושרים בתבנית קבועה, הם מגבילים את ההתפשטות למרחקים קצרים יותר. לטענת החוקרים, התפשטות מבוקרת ומוגבלת של מתח עשויה שלא להוות מגבלה. במקום זאת, זה עשוי לעזור לנוירונים לאתר היכן מופעל כוח, להבחין בין גירויים שונים וליצור תגובות מקומיות מבלי להשפיע על התא כולו. זה, בתורו, יכול לשפר את יכולת הנוירון לעיבוד חושי או לייצר תגובות מוטוריות אדפטיביות יותר. לעומת זאת, סידור אקראי של מכשולים מאפשר למתח לנסוע הרבה יותר רחוק, מה שעשוי לעזור לתאים להפיץ מידע מכני למרחקים ארוכים יותר.
המודלים התלת-ממדיים שהוגדרו במעבדה של Rangamani היו חיוניים כדי לחשוף את תפקיד סידור המכשולים, מכיוון שהוא אפשר לחוקרים להביא סוף סוף את התצפיות המרובות שלהם למסגרת משותפת. "השונות של המדידות, ההטרוגניות התאית והסטוכסטיות של התהליכים המולקולריים הבסיסיים הטילו אתגרים משמעותיים לפרשנות התוצאות", נזכר פרופ' קריג. "פיתוח מודל התלת-ממד שינה הכל. הוא נתן לנו את העקביות שהיינו צריכים כדי להסיק מסקנות מוצקות, והפך רעיון לתובנה אחת מרגשת."
לקראת הבנה מלאה של התפשטות מתח הממברנה
במבט קדימה, החוקרים מתכננים לחקור אינטראקציות אחרות של התא עם סביבתו, שרבות מהן זכו להתעלמות רבה, כמו גם להבחין בזהות המולקולרית של המכשולים וכיצד הם מוסדרים. "ייתכן אפילו שהמתח של קרום הפלזמה עצמו מווסת מכשולים בלולאת משוב/קדימה", הם משערים.
לעת עתה, המחקר כבר מסמן התקדמות משמעותית במכונוביולוגיה. ד"ר אווה קריסינג, מומחית למדעי המוח ההתפתחותיים מאוניברסיטת קיימברידג' שלא הייתה מעורבת בעבודה, אמרה ל- פיזיקת הטבע כתב עת: "זהו מאמר מאוד בזמן. בהתחשב בחלק החשוב שהוכח כי מתח הממברנה ממלא בוויסות תפקוד התא, חשוב מאוד להבין עד כמה הפרמטר הזה מקומי או עד כמה הוא מתפשט".
האתגר הבא יהיה לקשר את התובנות הפיזיקליות הללו למנגנונים מולקולריים ספציפיים, ובסופו של דבר לגשר על הפער בין הכוחות המכניים בקרום לבין ההחלטות הביולוגיות שהם מניעים.
