Rok w biologii

Nasze wspomnienia są kamieniem węgielnym naszej tożsamości. Ich znaczenie w dużej mierze sprawia, że ​​choroba Alzheimera i inne formy demencji są tak okrutne i przejmujące. Właśnie dlatego tak bardzo liczyliśmy na to, że nauka wynajdzie lekarstwo na chorobę Alzheimera i dlatego tak frustrujące i tragiczne jest to, że powoli pojawiają się przydatne metody leczenia. Dlatego też wielkie emocje towarzyszyły we wrześniu, gdy ogłoszono, że nowy lek, lekanemab, spowalnia postęp choroby w badaniach klinicznych. Jeśli lekanemab zostanie zatwierdzony przez Agencję ds. Żywności i Leków, stanie się dopiero drugim lekiem na chorobę Alzheimera przeciwdziałającym białku beta amyloidu, które powszechnie uważa się za przyczynę choroby. 

Jednak działanie lekanemabu jest tak marginalne, że badacze debatują, czy lek rzeczywiście będzie miał praktyczne znaczenie dla pacjentów. Fakt, że lekanemab wyróżnia się jako jasny punkt, świadczy o tym, jak ponura była historia badań nad leczeniem choroby Alzheimera. Tymczasem głębsze zrozumienie biologii w tym przypadku wzbudza zainteresowanie wiodącymi alternatywnymi teoriami wyjaśniającymi przyczyny choroby.

Spekulacje na temat działania pamięci są co najmniej tak stare, jak Platon, który w jednym ze swoich sokratejskich dialogów pisał o „darze Pamięci, matce Muz”, porównując jego działanie do woskowego stempla w duszy. Możemy być wdzięczni, że nauka znacznie poprawiła nasze rozumienie pamięci od czasów Platona – od stempli woskowych po „engramy” zmian w naszych neuronach. Tylko w ciągu ostatniego roku badacze poczynili ekscytujące postępy w kierunku poznania, jak i gdzie w mózgu znajdują się różne aspekty naszych wspomnień. Co bardziej zaskakujące, odkryli nawet mechanizmy biochemiczne, które odróżniają dobre wspomnienia od złych.

Ponieważ jesteśmy stworzeniami posiadającymi mózgi, często myślimy o pamięci w kategoriach czysto neurologicznych. Jednak prace opublikowane na początku 2022 roku przez naukowców z Kalifornijskiego Instytutu Technologii sugerują, że nawet pojedyncze komórki w rozwijających się tkankach mogą zawierać pewne zapisy historii swojego rodowodu. Wydaje się, że te komórki macierzyste polegają na przechowywanych informacjach, gdy muszą podjąć decyzję o specjalizacji w odpowiedzi na sygnały chemiczne. Postępy w biologii, jakie dokonały się w ciągu ostatniego roku, odsłoniły także wiele innych niespodzianek, w tym wiedzę na temat tego, jak mózg przystosowuje się do przedłużającego się niedoboru pożywienia i w jaki sposób migrujące komórki podążają ścieżką przez organizm. Warto spojrzeć wstecz na najlepsze dzieła tej firmy, zanim odkrycia nadchodzącego roku pozwolą nam spojrzeć na siebie z nowej perspektywy.

Wiele osób powiązanych z chorobą Alzheimera, czy to poprzez badania, czy poprzez osobiste powiązania z pacjentami, miało nadzieję, że rok 2022 będzie rokiem sztandarowym. Zakrojone na szeroką skalę badania kliniczne wreszcie wykazałyby skuteczność dwóch nowych leków zwalczających postrzeganą pierwotną przyczynę choroby. Wyniki niestety nie spełniły oczekiwań. Jeden z leków, lekanemab, wykazywał potencjał nieznacznego spowolnienia pogorszenia funkcji poznawczych u niektórych pacjentów, ale wiązał się też z czasami śmiertelnymi skutkami ubocznymi; drugi, gantenerumab, uznano za całkowitą porażkę. 

Rozczarowujące wyniki ograniczają trzydzieści lat badań opartych w dużej mierze na teorii, że choroba Alzheimera jest spowodowana przez płytki białek amyloidowych, które gromadzą się między komórkami mózgowymi i zabijają je. Coraz więcej dowodów sugeruje jednak, że amyloid jest tylko jednym ze składników a znacznie bardziej złożony proces chorobowy wiąże się to ze szkodliwym stanem zapalnym i nieprawidłowym funkcjonowaniem procesów recyklingu białek przez komórki. Większość z tych pomysłów istnieje tak długo, jak hipoteza amyloidu, ale dopiero zaczyna przyciągać uwagę, na jaką zasługują.

W rzeczywistości skupiska białek wokół komórek zaczynają wyglądać jak tzw zjawisko niemal powszechne w starzejących się tkankach, a nie jest to stan charakterystyczny dla amyloidu i choroby Alzheimera, jak wynika z prac naukowców z Uniwersytetu Stanforda, ogłoszonych we wstępnym druku zeszłej wiosny. Obserwacja może być kolejnym dowodem na to, że pogłębiające się problemy z gospodarką białkową mogą być rutynową konsekwencją starzenia się komórek.

Neuronaukowcy od dawna dużo rozumieją, w jaki sposób powstają wspomnienia – w zasadzie. Wiedzą, że gdy mózg postrzega, czuje i myśli, aktywność neuronowa powodująca te doświadczenia wzmacnia połączenia synaptyczne między zaangażowanymi neuronami. Te trwałe zmiany w naszych obwodach neuronowych stają się fizycznymi zapisami naszych wspomnień, umożliwiając ponowne przywołanie elektrycznych wzorców naszych doświadczeń, gdy są potrzebne. Dokładne szczegóły tego procesu pozostają jednak tajemnicą. Na początku tego roku uległo to zmianie, gdy naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii opisali technikę wizualizację tych zmian tak jak zachodzą w żywym mózgu, w którym obserwowali, jak ryby uczą się kojarzyć nieprzyjemne ciepło z sygnałem świetlnym. Ku ich zaskoczeniu, chociaż proces ten wzmocnił niektóre synapsy, inne usunął. 

Zawartość informacyjna pamięci to tylko część tego, co przechowuje mózg. Wspomnienia są również kodowane emocjonalna „walencja” które kategoryzuje je jako doświadczenie pozytywne lub negatywne. Zeszłego lata badacze donieśli, że poziomy pojedynczej cząsteczki uwalnianej przez neurony, zwanej neurotensyną, wydają się działać jak flagi tego oznakowania. 

Życie na Ziemi rozpoczęło się wraz z pojawieniem się pierwszych komórek około 3.8 miliarda lat temu. Ale paradoksalnie, zanim pojawiły się komórki, musiały istnieć zbiory cząsteczek wykonujących zaskakująco realistyczne rzeczy. W ciągu ostatniej dekady badacze w Japonii prowadzili eksperymenty z cząsteczkami RNA, aby dowiedzieć się, czy pojedynczy typ replikującej się cząsteczki może ewoluować w grupę różnych replikatorów, jak według teorii badaczy pochodzenia życia musiało nastąpić w naturze. Japońscy naukowcy odkryli, że to zróżnicowanie faktycznie miało miejsce, w wyniku czego różne cząsteczki ewoluowały w kierunku konkurujących żywicieli i pasożytów, których dominacja rosła i spadała. W marcu ubiegłego roku naukowcy ogłosili nowe odkrycie: różnorodne cząsteczki zaczęły ze sobą współpracować w a bardziej stabilny ekosystem. Ich praca sugeruje, że RNA i inne cząsteczki ze świata prebiotycznego mogły podobnie ewoluować, tworząc podwaliny pod życie komórkowe.

Samoreplikacja jest często traktowana jako niezbędny pierwszy krok w każdej hipotezie o pochodzeniu życia, choć nie musi tak być. W tym roku Nick Lane i inni biolodzy ewolucyjni nadal znajdowali dowody na to, że zanim istniały komórki, systemy „protometabolizmu” obejmujące złożone zestawy reakcji energetycznych mogły powstać w porowatych materiałach w pobliżu kominów hydrotermalnych.

W jaki sposób pojedyncza zapłodniona komórka jajowa wyrasta na dorosłe ciało ludzkie składające się z ponad 30 bilionów komórek w ponad 200 wyspecjalizowanych kategoriach? To kwintesencja tajemnicy rozwoju. Przez większą część ubiegłego stulecia dominującym wyjaśnieniem było to, że gradienty chemiczne powstające w różnych częściach rozwijającego się ciała kierują komórki tam, gdzie są potrzebne i mówią im, jak różnicować się na składniki skóry, mięśni, kości, mózgu i innych. narządy. 

Jednak chemikalia wydają się obecnie tylko częścią odpowiedzi. Niedawne prace sugerują, że choć komórki rzeczywiście korzystają ze wskazówek gradientu chemicznego, aby kierować swoją nawigacją, to również podążają za nimi wzorce napięcia fizycznego w otaczających je tkankach, jak linoskoczki po napiętej linie. Napięcie fizyczne nie tylko mówi komórkom, dokąd mają się udać. Inne prace opublikowane w maju wykazały, że siły mechaniczne wewnątrz zarodka również pomagają w indukowaniu zestawów komórek stać się konkretnymi strukturamitakie jak pióra zamiast skóry.

Tymczasem biolodzy syntetyczni – badacze stosujący inżynieryjne podejście do badania życia – poczynili istotne postępy w zrozumieniu rodzajów algorytmów genetycznych kontrolujących sposób różnicowania się komórek w odpowiedzi na sygnały chemiczne. Zespół z Caltech zademonstrował sztuczna sieć genów które mogłyby stabilnie przekształcić komórki macierzyste w szereg bardziej wyspecjalizowanych typów komórek. Nie zidentyfikowali, jaki jest naturalny system kontroli genetycznej w komórkach, ale sukces ich modelu dowodzi, że jakikolwiek jest prawdziwy system, prawdopodobnie nie musi być dużo bardziej skomplikowany.

Mózg jest najbardziej energochłonnym organem w organizmie, więc być może nie jest zaskakujące, że ewolucja opracowała strategię awaryjną, która ma pomóc mózgowi radzić sobie z długimi okresami niedoborów żywności. Naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu odkryli, że kiedy myszy muszą przez kilka tygodni przetrwać na krótkich racjach żywnościowych, ich mózgi zaczynają pracować w sposób odpowiadający tryb „niskiego poboru mocy”.. 

W tym stanie neurony w korze wzrokowej zużywają prawie 30% mniej energii w swoich synapsach. Z inżynierskiego punktu widzenia jest to niezłe rozwiązanie pozwalające na wykorzystanie zasobów energetycznych mózgu, ale jest pewien haczyk. W efekcie tryb niskiego poboru mocy zmniejsza rozdzielczość wzroku zwierzęcia, powodując, że układ wzrokowy przetwarza sygnały mniej precyzyjnie. 

Inżynierskie spojrzenie na mózg poprawiło ostatnio nasze zrozumienie innego układu sensorycznego: zmysłu węchu. Naukowcy próbują ulepszyć zdolność skomputeryzowanych „sztucznych nosów” do rozpoznawania zapachów. Same struktury chemiczne w dużym stopniu przyczyniają się do zdefiniowania zapachów, które kojarzymy z różnymi cząsteczkami. Ale nowe prace sugerują, że procesy metaboliczne które tworzą cząsteczki w przyrodzie, odzwierciedlają również nasz zmysł zapachu cząsteczek. Sieci neuronowe, które w swoich analizach uwzględniały informacje metaboliczne, znacznie zbliżyły się do klasyfikowania zapachów w taki sam sposób, w jaki robią to ludzie.

Badanie żywego ludzkiego mózgu jest nadal szalenie trudne dla neurobiologów: czaszka zasłania im pole widzenia, a względy etyczne wykluczają wiele potencjalnie pouczających eksperymentów. Dlatego badacze zaczęli hodować w laboratorium wyizolowaną tkankę mózgową i pozwalać jej tworzyć „organoidy” o fizycznym i elektrycznym podobieństwie do prawdziwego mózgu. W tym roku neurobiolog Sergiu Paşca i jego współpracownicy pokazali, jak daleko sięgają te podobieństwa po wszczepieniu organoidy ludzkiego mózgu u nowonarodzonych szczurów laboratoryjnych. Komórki ludzkie zintegrowały się z obwodami nerwowymi zwierzęcia i przejęły rolę w jego węchu. Co więcej, przeszczepione neurony wyglądały zdrowiej niż te rosnące w izolowanych organoidach, co sugeruje, jak zauważył Paşca w wywiad w Quanta, znaczenie zapewnienia neuronom wejść i wyjść. Praca wskazuje drogę do opracowania w przyszłości lepszych modeli eksperymentalnych ludzkiego mózgu.