Znajdź zawartość

Materiały plastikowe znajdują się w użyciu już od kilku dziesięcioleci. Poszukując nowych rozwiązań, producenci napotykają jednak na poważne ograniczenie: niemożność bezpośredniego obserwowania wpływu mikroskopowej budowy materiału na właściwości mechaniczne. Cząsteczki syntetycznych polimerów są zwyczajnie zbyt małe, czego nie można już powiedzieć o biopolimerach, np. włóknach mięśniowych. To właśnie zainspirowało specjalistów z zespołu profesora Andreasa Bauscha z Technische Universität München (TUM). Gdy film polietylenowy jest silnie rozciągany, staje się w wyniku reorganizacji łańcuchów polimerowych bardziej odporny na rozrywanie, a to ważna cecha w przypadku plastikowych toreb na zakupy. Pod wpływem częstych naprężeń niektóre elastyczne polimery - gumy napełnione - stają się natomiast bardziej miękkie. Zjawisko to zostało nazwane efektem Mullinsa (od nazwiska swojego odkrywcy Leonarda Mullinsa). Dotąd nie było jednak wiadomo, co dokładnie dzieje się z łańcuchami polimerowymi poddanymi działaniu naprężeń, a przecież zrozumienie procesów z poziomu molekularnego pozwoliłoby wynalazcom nowych plastików oszczędzić dużo czasu i pieniędzy. Ekipa Bauscha wykorzystała białko kurczliwe mięśni, a mianowicie aktynę w formie włókienkowej (aktynę F). Utworzono nową sieć polimerową. Co ważne, filamenty aktynowe są widoczne pod konfokalnym mikroskopem fluorescencyjnym, dzięki czemu po przyłożeniu do materiału naprężeń można było obserwować ruchy pojedynczych włókien. Korzystając z reometru, który pozwala określić właściwości mechaniczne materiału, a także ze wspomnianego mikroskopu, Niemcy widzieli zachowanie sieci filamentów aktynowych podczas mechanicznej deformacji i mogli je sfilmować w trójwymiarze. W ten sposób naukowcy uzyskali modelowy system, który rzucił nieco światła na procesy molekularne leżące u podstaw efektu Mullinsa, a także zjawiska odwrotnego, czyli twardnienia materiały pod wpływem powtarzających się naprężeń. Powodem zmiany właściwości mechanicznych była, jak można się domyślić, rozległa reorganizacja sieci.

By dawać przerzuty, komórki nowotworowe potrzebują wszystkich 3 składowych cytoszkieletu: filamentów pośrednich, miktotubul oraz filamentów aktynowych. Danijela Vignjević i jej zespół z Instytutu Curie w Paryżu wyjaśniają, że w warstwie nabłonka komórka nowotworowa jest uwięziona, zanim nie uda jej się sforsować błony podstawnej - substancji międzykomórkowej oddzielającej komórki nabłonka od tkanki łącznej. By do tego doprowadzić, wydziela więc rozpuszczające membrana basalis enzymy, gromadzone w wypustkach inwazyjnych, które można by po polsku nazwać inwadopodiami (od ang. invadopodia). Przed badaniami Vignjević nie było wiadomo, jak podczas tego procesu współpracują ze sobą różne składowe cytoszkieletu. Okazało się, że komórka nowotworowa uwalnia się w 3 etapach. Na początku w błonę podstawną wwiercają się grube wypustki. Później ulegają one wydłużeniu i zaczynają wyglądać jak prawdziwe inwadopodia. Za nimi podąża reszta komórki. Wygląda to jak powolne pełznięcie w stylu ślimaka czy gąsienicy. W hodowlach Francuzi zaobserwowali, że w wypustkach znajdują się wiązki oraz siateczki z aktyny. Są one niezbędne do utworzenia i wzrostu inwadopodiów, z kolei wydłużanie nie zaszłoby bez filamentów pośrednich i mikrotubul. Wiązki aktyny wypychają wypustkę do przodu, a siateczka z tej samej substancji stabilizuje ją podczas wzrostu. Gdy inwadopodia osiągają długość 5 mikronów, do gry wkraczają pozostałe elementy cytoszkieletu: mikrotubule dostarczają do koniuszka enzymy, a filamenty pośrednie działają jak spinające wszystko w całość klamry.

Sceptryna, stosunkowo prosty związek wytwarzany przez wiele gatunków gąbek, skutecznie blokuje powstawanie przerzutów nowotworowych - uważa zespół Angela Cipresa z Burnham Institute for Medical Research. O szczegółach odkrycia, dokonanego wspólnie z kolegami z Scripps Institute, badacze poinformowali za pośrednictwem czasopisma ACS Chemical Biology. W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali sceptrynę pozyskaną od gatunku Agelas nakamurai. Dzięki serii testów in vitro, przeprowadzonych m.in. na komórkach raka piersi, płuc oraz szyjki macicy, autorzy studium wykazali, że analizowany przez nich związek skutecznie ogranicza ruchliwość komórek nowotworowych oraz ich zdolność do zmiany kształtu - dwie cechy kluczowe dla wykształcenia zdolności do tworzenia przerzutów nowotworowych. Co ważne, wysoką skuteczność tej substancji stwierdzono już przy stężeniu dwukrotnie niższym od uznawanego za toksyczne dla zdrowych komórek. Szczegółowe testy aktywności badanego związku wykazały, że blokuje on polimeryzację aktyny - białka, którego cząsteczki łączą się ze sobą w długie łańcuchy lub sieci, które w tej formie mogą się kurczyć i wpływać w ten sposób na kształt komórki. Znaczące ograniczenie tego procesu w komórkach nowotworowych oznacza, że tracą one swoją charakterystyczną zdolność do odrywania się od masy guza, przez co ryzyko powstania przerzutu drastycznie spada. Niezwykle ważny jest fakt, iż ograniczeniu ulega nawet migracja komórek nowotworowych stymulowanych czynnikami wzrostowymi, które w normalnych warunkach są często w stanie pobudzić nawet komórki, które wydawały się stabilnie przytwierdzone do płytek hodowlanych. Biorąc pod uwagę niedawne opracowanie [metody] syntezy sceptryny w ilościach powyżej grama przez laboratorium [dr. Phila S. Barana, naukowca z Scripps Institute - przyp. red.], sceptryna może okazać się interesującą cząsteczką z punktu widzenia dalszych testów oraz rozwoju w celach terapeutycznych, uważa autor-senior publikacji, dr Kristiina Vuori z Scripps Institute. Zdaniem badaczki substancja ta może także trafić do laboratoriów, gdzie może posłużyć jako środek pozwalający na szybkie zablokowanie ruchliwości komórek nowotworowych na potrzeby różnych badań nad ich fizjologią.

Mimo iż zachodzą w naszym organizmie miliony razy dziennie, podziały komórkowe są procesami prawdziwie niezwykłymi. Jedną z najbardziej zaskakujących cech tego zjawiska jest powstawanie komórek młodych i "świeżych" z komórek starych, nierzadko przeładowanych szkodliwymi cząsteczkami. Mechanizm zapewniający tę metaboliczną "czystość" odkryli naukowcy z Uniwersytetu w Göteborgu. Autorami odkrycia są badacze z zespołu prof. Thomasa Nyströma. Na łamach prestiżowego czasopisma Cell opisali oni wyniki eksperymentu na komórkach drożdży, który może okazać się przełomowy dla naszego rozumienia kwestii starzenia się i ochrony przed nim. Badania przeprowadzono w związku z pozornym paradoksem, do jakiego dochodzi podczas podziału komórkowego. Nikt nie wiedział bowiem, jak to możliwe, że powstająca komórka potomna otrzymuje własną kopię genomu, cytoplazmę oraz komplet struktur wewnątrzkomórkowych zwanych organellami, lecz jednocześnie pozostaje wolna od wadliwych elementów zgromadzonych za życia komórki matczynej. Jak zaobserwowali badacze z zespołu prof. Nyströma, dzieje się tak, ponieważ w komórkach istnieje specjalny system transportu szkodliwych produktów metabolizmu (na czele z kompleksami wadliwych białek) podczas podziału komórkowego. Cząsteczkami odpowiedzialnymi za ten proces okazały się białka z grupy aktyn, biorące udział m.in. w wielu innych typach transportu wewnątrzkomórkowego. W przypadku segregacji zachodzącej podczas podziału komórkowego z włóknami aktynowymi współpracuje inna cząsteczka, zwana SIR2, która - wszystko na to wskazuje - odgrywa kluczową rolę w formowaniu się nici aktynowych pozwalających komórce na "oczyszczenie się" pod koniec podziału komórkowego. Co ciekawe, już we wcześniejszych badaniach stwierdzono, że komórki wielu organizmów wytwarzające zwiększoną ilość SIR2 żyją znacznie dłużej od swoich normalnych krewniaków. Badania przeprowadzone przez szwedzkich uczonych są jednak pierwszymi, których rezultaty wyjaśniają mechanizm "odmładzającego" działania tej molekuły.

Choć badania nad HIV trwają od wielu lat, mnogość mechanizmów ułatwiających mu skuteczne infekowanie organizmu nie przestaje zadziwiać. Uczeni ze Szpitala Uniwersyteckiego w Heidelbergu odkryli właśnie kolejny z nich, polegający na blokowaniu zmian strukturalnych koniecznych dla prawidłowego funkcjonowania komórek odpornościowych. Badacze z Niemiec, kierowani przez prof. Olivera Facklera, chcieli poznać wpływ cząsteczki Nef - najsłabiej poznanej proteiny HIV - na zdolność zakażonych komórek odpornościowych do migracji oraz zmiany własnego kształtu. Dzięki eksperymentom na hodowlach komórkowych udało się ustalić, że badane białko skutecznie blokuje funkcjonowanie aktyny - podstawowego składnika cytoszkieletu, czyli wewnętrznego "rusztowania" odpowiedzialnego za utrzymanie właściwości strukturalnych komórki. Głównym obiektem ataku HIV na organizm człowieka są pomocnicze limfocyty T, zwane także komórkami CD4+. Główną rolą tej populacji komórek jest pośredniczenie w wymianie informacji potrzebnych do uruchomienia syntezy przeciwciał. Proces ten wymaga jednak komórek CD4+ zdolności do migracji oraz zmiany kształtu - procesów ściśle zależnych od aktyny. Jeżeli więc dojdzie do zaburzenia struktury cytoszkieletu, synteza przeciwciał może okazać się niemożliwa. Badania na hodowlach komórkowych wykazały, że aktywność Nef prowadzi do upośledzenia funkcji kofiliny - białka biorącego udział w reorganizacji cytoszkieletu po każdej zmianie kształtu komórki. Zjawisko to utrudnia limfocytom CD4+ migrację i wymianę informacji z innymi komórkami. Efektem jest zablokowanie syntezy przeciwciał, prowadzące do głębokiego upośledzenia odporności. Można się spodziewać, że substancja zdolna do blokowania aktywności Nef wewnątrz zakażonych komórek mogłaby znacząco ograniczyć osłabienie odporności związane z infekcją HIV. Niestety, nikomu nie udało się dotychczas zsyntetyzować takiego związku.

Zastąpienie jednego z białek budujących mięśnie szkieletowe jego odpowiednikiem występującym w sercu pozwala na zachowanie funkcji motorycznych organizmu - udowadniają australijscy badacze. Wywołanie analogicznego efektu w organizmie człowieka może uratować osoby cierpiące na poważne zaburzenia funkcji mięśni. Obiektem studium, prowadzonego przez zespół pod kierownictwem dr Kristen Nowak, były białka z rodziny aktyn. Proteiny te, kluczowe dla funkcjonowania mięśni, występują w organizmie w kilku różnych wariantach. Jeden z nich, zwany sercowym, w czasie życia płodowego występuje we wszystkich mięśniach szkieletowych oraz w mięśniu sercowym. Pod koniec ciąży zanika on jednak niemal zupełnie i pozostaje obecny wyłącznie w sercu. Zamiast niego, mięśnie szkieletowe zaczynają syntetyzować inny rodzaj aktyny, zwany szkieletowym. Jeżeli w komórkach dojrzewającego płodu dojdzie do mutacji genu kodującego aktynę "szkieletową", zwanego ACTA1, u rodzącego się dziecka można się spodziewać poważnych zaburzeń, prowadzących ostatecznie do śmierci w ciągu kilku pierwszych miesięcy życia. Badacze zaczęli w związku z tym zastanawiać się, czy zachowanie aktywności genu kodującego aktynę "sercową", noszącego nazwę ACTC, mogłoby zapobiec schorzeniom. Eksperyment zaproponowany przez dr Nowak wydawał się z góry skazany na niepowodzenie. Od dawna wiadomo bowiem, że przejście z ekspresji genu ACTA1 na ACTC zachodzi w organizmach wszystkich owodniowców. Zgodnie z teorią ewolucji sugerowało to, że jest to cecha korzystna i jej zachowanie świadczy o ważności tego procesu. Okazało się jednak, że jest zupełnie inaczej. Na potrzeby eksperymentu skrzyżowano myszy niewytwarzające aktyny "szkieletowej" z osobnikami zmodyfikowanymi genetycznie syntetyzującymi ludzką wersję aktyny "sercowej" zarówno w typowym miejscu jej występowania, jak i w mięśniach szkieletowych. Skrzyżowane gryzonie nie tylko nie ginęły po paru dniach od urodzenia, jak działo się w przypadku osobników o nieaktywnym genie kodującym aktynę "mięśniową", lecz także zachowywały sprawność fizyczną na poziomie porównywalnym ze zwierzętami zdrowymi. I choć pojedyncze włókna mięśni szkieletowych były u zwierząt skrzyżowanych nieznacznie słabsze, szybkość i wytrzymałość takich myszy była nawet lepsza, niż u osobników zdrowych. Zrozumienie procesu "przełączania się" mięśni z wykorzystywania jednego typu aktyny na drugi ułatwi badania nad ciężkimi chorobami dotykającymi noworodki. Co więcej, eksperyment przeprowadzony przez zespół dr Nowak pozwoli na opracowanie mysiego modelu tych schorzeń, dzięki czemu zdobywanie wiedzy na ich temat będzie znacznie prostsze.

Amerykańscy naukowcy zidentyfikowali prosty sposób pozwalający na walkę z bakteriami Pseudomonas aeruginosa, odpowiedzialnymi za tzw. zakażenia szpitalne oraz groźne infekcje u osób o obniżonej odporności. Do skutecznego zablokowania rozwoju mikroorganzmów wystarczy pojedynczy enzym oraz syntetyczny polimer zbudowany z aminokwasów - jednostek budulcowych wchodzących m.in. w skład białek. Nowa metoda walki z bakteriami P. aeruginosa wykorzystuje ich uzależnienie od białka, aktyny F, oraz nici DNA - składników pozyskiwanych z ludzkich komórek odpornościowych zwanych neutrofilami, przybywających na miejsce infekcji i obumierających po wykonaniu swojego zadania. Jak wykazały wcześniejsze badania, fragmenty komórek gospodarza są wykorzystywane jako budulec dla tzw. biofilmów - zorganizowanych kolonii zdolnych do przytwierdzania się i wzrostu np. na powierzchni narzędzi chirurgicznych lub dróg oddechowych. Pomysł wykorzystania struktury biofilmów do walki z P. aeruginosa zrodził się w głowach badaczy z amerykańskiego szpitala National Jewish Health oraz Uniwersytetu Kolorado. Aby zneutralizować składniki konieczne do wytworzenia kolonii bakteryjnych, badacze zastosowali DNAzę - enzym zdolny do rozkładania DNA - oraz syntetyczny polimer kwasu asparaginowego, jednego z aminokwasów wchodzących w skład cząsteczek białek. Jak dowiedziono w eksperymencie, ładunek elektryczny reszt kwasu asparaginowego pozwolił na rozbicie kompleksów aktyny F na mniejsze fragmenty, określane jako aktyna G. DNAza pozwoliła z kolei na rozcięcie nici DNA na drobne fragmenty. Obie te zmiany uniemożliwiły bakteriom stworzenie stabilnego biofilmu, dzięki któremu mogłyby chronić się przed działaniem układu odpornościowego oraz antybiotyków. Opisywany eksperyment został przeprowadzony w warunkach in vitro, a więc poza organizmem żywym. Nie oznacza to jednak, że jest on bezużyteczny. Jego wyniki dostarczają bowiem wskazówek, które mogą ułatwić stworzenie skutecznej terapii zapobiegającej infekcjom Pseudomonas aeruginosa, trapiącym m.in. osoby podłączone do respiratorów, chore na mukowiscydozę czy przebywające na oddziałach chirurgii.

Wirus HIV nie przestaje zaskakiwać. Najnowsze badania pokazują kolejny mechanizm umożliwiający temu zabójczemu mikroorganizmowi wnikanie do komórek i ich niszczenie. Informację o odkryciu publikuje czasopismo Cell. Od momentu jego odkrycia w roku 1983 HIV jednym z najintensywniej badanych patogenów. I choć znany jest już od ćwierćwiecza, wciąż stanowi dla badaczy wielką zagadkę. Tym razem naukowcy wykazali, że jest on w stanie zaatakować i zniszczyć nawet komórki zwykle niepodatne na zakażenie. Stosuje przy tym ciekawą taktykę: zanim wniknie do wnętrza komórki, aktywuje w jej wnętrzu szlak sygnalizacji powodujący rozpad białkowego szkieletu odpowiedzialnego za jej odporność na wnikanie wirusa. Kluczowym dla odkrytego zjawiska elementem jest receptor CXCR4 znajdujący się m.in. na powierzchni spoczynkowych limfocytów T - komórek uznawanych zwykle za mało istotne w przebiegu infekcji HIV i oporne na jego wnikanie. Sam CXCR4 był dotąd uznawany wyłącznie za tzw. koreceptor, czyli cząsteczkę pomocną podczas infekcji, lecz odgrywającą w tym procesie rolę drugorzędną. Okazuje się jednak, że intruz wiąże się z tą molekułą i aktywuje w ten sposób inne białko - kofilinę, odpowiedzialną za rozpad struktury zwanej cytoszkieletem. W prawidłowo funkcjonującej komórce proces reorganizacji cytoszkieletu, pełniącego funkcję wewnątrzkomórkowego "rusztowania" i "linii przesyłowej", zachodzi regularnie i jest potrzebny dla utrzymania jej wewnętrznej architektury w dobrym stanie, lecz to samo zjawisko wywołane przez wirusa zachodzi w sposób niekontrolowany i jest dla komórki wybitnie szkodliwe. Jak tłumaczy biorący udział w badaniu prof. Yuntao Wu, następujący po aktywacji kofiliny proces odbudowy cytoszkieletu najprawdopodobniej ułatwia wnikanie HIV do wnętrza komórki. Co więcej, bardzo możliwe jest, że powstające na nowo włókna tworzące wewnątrzkomórkowe "rusztowanie" aktywnie wspomagają infekcję. Prof. Wu zastrzega, że choć wirus toruje sobie drogę do wnętrza komórki dzięki użyciu szlaku sygnałowego związanego z CXCR4 i kofiliny, proces ten może nie być konieczny dla skutecznego ataku. Badacz zauważa, że proces rozpadu i odtwarzania cytoszkieletu zachodzi w sposób ciągły, więc w pewnych momentach może dochodzić do powstania takiej konfiguracji jego elementów, która ułatwia wnikanie patogenu. Na szczęście istnieje też dobra wiadomość. Dokładnie zrozumienie odkrytego procesu może umożliwić prace nad lekami, które powstrzymają (lub chociaż spowolnią) rozwój AIDS, choroby uznawanej dziś za nieuchronne następstwo infekcji wirusem HIV. Może to być jednak bardzo ciężkie z uwagi na znaczną liczbę czynników ułatwiających patogenowi atak na organizm człowieka.