מדענים מאוניברסיטת Oregon Health & Science חשפו מערכת לא ידועה בעבר של "רוחות סחר" פנימיות המסייעות לתאים להעביר במהירות חלבונים חיוניים לקדמת התא, ומעצבת מחדש את האופן שבו חוקרים מבינים את נדידת התאים, התפשטות הסרטן וריפוי פצעים.
התגלית, שפורסמה היום ב תקשורת טבע, מעצב מחדש את מה שחוקרים חשבו שהם יודעים על האופן שבו תאים מכוונים חלבונים למקום הנכון בזמן הנכון.
במשך עשרות שנים, ספרי ביולוגיה לימדו שחלבונים צפים חופשיים בתוך תאים נעים בעיקר על ידי דיפוזיה, נסחפים באקראי עד שהם מגיעים במקרה ליעדם. אבל המחקר החדש מראה שתאים לא משאירים זאת ליד המקרה. במקום זאת, הם יוצרים זרמים ממוקדים של נוזלים שדוחפים חלבונים חיוניים לעבר הקצה המוביל של התא, שם מתחילים תנועה ותיקון.
גילוי מקרי לפריצת דרך גדולה
המחברים המקבילים למחקר קתרין (קאתי) גלבריית', Ph.D., וג'יימס (ג'ים) גלבריית', Ph.D., שניהם פרופסורים במחלקה להנדסה ביו-רפואית של OHSU וחוקרי מנוע גילוי במכון OHSU Knight Cancer, עוקבים אחר התגלית לתצפית בלתי צפויה לפני שנים במעבדה לביולוגיה ימית של מסצ'וסטס במהלך הקורס הנוירוביולוגי של מסצ'וסטס.
זה למעשה התחיל כממצא בלתי צפוי. בדיוק ערכנו ניסוי עם תלמידים בכיתה".
קתרין (קאתי) גלבריית', דוקטורט, מחקר סופר מתכתב ופרופסור חבר, המחלקה להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת אורגון לבריאות ומדע
הם השתמשו בלייזר כדי להפוך חלבונים לבלתי נראים ברצועה לרוחב החלק האחורי של תא חי – טכניקה סטנדרטית למעקב אחר איך חומרים נעים בתוך תאים – כאשר משהו בלתי צפוי הופיע: קו קטן וכהה שני הופיע בקצה הקדמי שהתא נמשך תוך כדי תנועה.
"בערך עשינו את זה בשביל הכיף ואז הבנו שזה נתן לנו דרך למדוד משהו שלא היה ניתן למדוד קודם לכן", אמרה.
הקו האפל הבלתי צפוי הזה התברר כגל של אקטין מסיס – אחד מחלבוני המפתח שעוזרים לתאים לנוע – שנדחף במהירות אל הקצה המוביל של התא. עד עכשיו, מדענים הניחו שאקטין הגיע לשם בעיקר באמצעות דיפוזיה, נסחף דרך התא באופן אקראי. אבל הניסויים של הגאלבריית'ים גילו משהו אחר לגמרי.
"הבנו שלדגמים המצוירים בספרי הלימוד חסרה חלק ענק", אמר ג'ים. "היה חייב להיות איזושהי זרימה בתא שדוחפת דברים קדימה. תאים באמת 'הולכים עם הזרימה'".
הבנת נדידת תאי סרטן
קאתי וג'ים גויסו ל-OHSU ב-2013 מהמכונים הלאומיים לבריאות, שם שיתפו פעולה עם חתן פרס נובל אריק בציג, Ph.D., בקמפוס המחקר ג'נליה של המכון הרפואי הווארד יוז הסמוך, בפיתוח מיקרוסקופיה של תאים חיים ברזולוציה-על.
באמצעות מבחני הדמיה מותאמים אישית, גילו המדענים שתאים יוצרים באופן פעיל זרימת נוזלים כיוונית, שהצוות משווה לנהרות אטמוספריים. זרמים אלה דוחפים את האקטין וחלבונים אחרים קדימה הרבה יותר מהר ממה שהדיפוזיה יכולה.
"מצאנו שהתא באמת יכול להידחק מאחור ולכוון לאן שהוא שולח את החומר הזה", אמר ג'ים. "אם אתה לוחץ חצי ספוג, המים הולכים רק על החצי הזה. זה בעצם מה שהתא עושה".
זרימה פנימית זו אינה ספציפית, כלומר היא גורפת סוגים רבים של חלבונים בבת אחת.
התוצאה היא מערכת אספקה מהירה ויעילה שמזינה בליטה, הידבקות ושינויי צורה מהירים, כולם תהליכים קריטיים לתנועת תאים, תגובה חיסונית ותיקון רקמות. הממצאים שפורסמו מאשרים שזרימות אלו מתרחשות בתוך תא מיוחד בחזית התא, מופרד משאר התא על ידי מחסום מעובה אקטין-מיוזין הפועל כמו קיר פיזי ומכוון את הזרימות לאזורים מתקדמים לאורך קצה התא.
כדי לדמיין את הזרמים, הצוות פיתח גרסה הפוכה של טכניקת פלואורסצנטי סטנדרטית. במקום להשתמש בלייזר כדי להלבין את האור, הם הפעילו מולקולות פלואורסצנטיות בנקודה אחת וצפו כיצד הן זזות.
הצוות כינה את אחד מניסויי המפתח FLOP, או Fluorescence Leaving the Original Point.
"זה לא היה פלופ בכלל," אמרה קאתי. "זה היה ההפך. זה הכל מלבד פלופ, כי זה עבד". התגלית של הצוות עשויה לעזור להסביר מדוע תאים סרטניים מסוימים נעים בצורה כה אגרסיבית.
"אנחנו יודעים שלתאים מאוד פולשניים האלה יש את המנגנון המגניב הזה לדחוף חלבונים ממש מהר, ממש מהר איפה שהם צריכים אותם בקדמת התא", אמר ג'ים. "בכל התאים יש בעצם אותם רכיבים בפנים, בדומה לפורשה ולפולקסווגן יש הרבה מאותם חלקים, אבל כשהחלקים האלה מורכבים למכונה הסופית, הם מתנהגים ומתפקדים בצורה שונה מאוד".
על ידי הבנת ההבדלים הללו, החוקרים מקווים לזהות דרכים חדשות להפריע לאופן שבו תאים סרטניים נודדים.
"אם אתה יכול להבין את ההבדלים, אתה יכול למקד טיפולים עתידיים בהתבסס על האופן שבו תאים סרטניים ותאים נורמליים פועלים בצורה שונה", אמר.
שיתוף פעולה לממצאים מרכזיים
הפרויקט הפגיש הנדסה, פיזיקה, מיקרוסקופיה וביולוגיה של התא, עם תרומות מרכזיות של משתפי פעולה בקמפוס המחקר Janelia בווירג'יניה, כולל מומחים בספקטרוסקופיה של קורלציה פלואורסצנטית והדמיה תלת-ממדית ברזולוציית-על.
"המכשור שהיינו צריכים לא קיים ברוב המקומות", אמרה קאתי. "לג'נליה הייתה הגדרה מיוחדת במינה שאפשרה לנו לבדוק ולאשר את מה שראינו."
חלק גדול מהפרויקט הסתמך על טכניקות הדמיה מתקדמות שפותחו ב-Janelia – ביניהן iPALM, שיטה אינטרפרומטרית לפתרון מבנים בקנה מידה ננומטרי שבני הגלברייט תרמו לפיתוחה.
"iPALM אפשרה לנו לראות פיזית את התאים", אמר ג'ים. "אין טכניקה אחרת המבוססת על אור שיכולה לעשות זאת."
החוקרים טוענים שהמחקר חושף "פסאודו-אברון", או תא פונקציונלי שאינו מוקף בממברנה אך עדיין מעצב את אופן התנהגותו של התא.
"בדיוק כפי ששינויים קטנים בזרם הסילון יכולים לשנות את מזג האוויר, שינויים קטנים ברוחות התאיות הללו יכולים לשנות את האופן שבו מחלות מתחילות או מתקדמות", אמרה קאתי.
הצוות מאמין שהעבודה פותחת כיוונים חדשים לחקר הסרטן, מתן תרופות, תיקון רקמות וביולוגיה סינתטית.
"כל מה שהיית צריך לעשות זה להסתכל," אמרה קאתי. "הזרימות היו שם כל הזמן. עכשיו אנחנו יודעים איך התאים משתמשים בהם".
