Jednotlivé buňky se mohou učit: Revoluční objev v biologii

25. 11. 2024 (mai) - Nedávné studie odhalují, že jednotlivé buňky mají schopnost se učit, což vyvrací myšlenku, že komplexní chování při učení je výlučné pro komplexnější organismy, nejlépe s nervovým systémem.

Jednotlivé buňky mohou mít schopnost učit se, což je vlastnost, která se dříve považovala za výhradní u zvířat s mozkem a složitým nervovým systémem. Tento převratný objev pochází ze studie provedené výzkumníky z Centra pro genomickou regulaci (CRG) v Barceloně a Harvard Medical School v Bostonu.

Zjištění , zveřejněné 19. listopadu v časopise Current Biology , zpochybňují dlouhodobé předpoklady o základní povaze života a mohly by přetvořit naše chápání buněčného chování.

"Namísto toho, aby se buňky řídily předem naprogramovanými genetickými instrukcemi, jsou povýšeny na entity vybavené velmi základní formou rozhodování na základě učení se z jejich prostředí," vysvětluje Jeremy Gunawardena, docent systémové biologie na Harvard Medical School. autor studie.

Studie sledovala habituaci, tedy proces, při kterém organismus postupně přestává reagovat na opakovaný podnět. Habituace je vlastně příčinou, proč lidé přestávají vnímat tikání hodin nebo jsou méně rozptylováni blikajícími světly. Tato nejnižší forma učení byla rozsáhle studována u zvířat se složitým nervovým systémem.

Zda chování podobné učení, jako je habituace, existuje v buněčném měřítku, je otázka, která zůstávala plná kontroverzí. Experimenty z počátku 20. století s jednobuněčnou řasnatkou Stentor roeselii nejprve objasnily chování, které se podobalo učení, ale studie byly v té době přehlíženy a zamítnuty. V 70. a 80. letech 20. století byly nalezeny známky habituace u jiných nálevníků a moderní experimenty nadále přidávají teorii další váhu.

"Tato stvoření se tak liší od zvířat s mozkem. Učit se by znamenalo, že používají vnitřní molekulární sítě, které nějakým způsobem vykonávají funkce podobné těm, které provádějí sítě neuronů v mozcích. Nikdo neví, jak to dokážou, a tak jsme si řekli, že je to otázka, kterou je třeba prozkoumat," říká Rosa Martinez, spoluautorka studie a výzkumnice z Centra pro genomickou regulaci (CRG) v Barceloně.

Buňky se spoléhají na biochemické reakce jako prostředek zpracování informací. Například přidání nebo odstranění fosfátové značky z povrchu proteinu způsobí jeho zapnutí nebo vypnutí. Aby vědci sledovali, jak buňky zpracovávají informace, místo práce s buňkami v laboratorních miskách, použili počítačové simulace založené na matematických rovnicích ke sledování těchto reakcí a dekódování "jazyka" buňky. To jim umožnilo vidět, jak se molekulární interakce uvnitř buněk změnily, když byly znovu a znovu vystaveny stejnému stimulu.

Konkrétně se studie zaměřila na dva běžné molekulární obvody – negativní zpětnovazební smyčky a nekoherentní dopředné smyčky. V negativní zpětné vazbě výstup procesu inhibuje jeho vlastní produkci, jako když termostat vypne topení, když místnost dosáhne určité teploty. V nekoherentních dopředných smyčkách signál současně aktivuje proces i jeho inhibitor, jako pohybem aktivované světlo s časovačem. Po detekci pohybu se světlo po určité době automaticky vypne.

Simulace naznačují, že buňky používají kombinaci alespoň dvou těchto molekulárních obvodů k doladění své reakce na podnět a reprodukci všech charakteristických rysů návyku, které lze pozorovat u složitějších forem života. Jedním z klíčových zjištění je požadavek na "oddělení v časovém měřítku" v chování molekulárních okruhů, kde některé reakce probíhají mnohem rychleji než jiné.

"Myslíme si, že by to mohl být typ 'paměti' na buněčné úrovni, umožňující buňkám okamžitě reagovat a ovlivnit budoucí reakci," vysvětluje Dr. Martinez.

Zjištění může také osvětlit dlouhodobou debatu mezi neurovědci a kognitivními výzkumníky. Po celá léta tyto dvě skupiny měly různé pohledy na to, jak síla návyku souvisí s frekvencí nebo intenzitou stimulace. Neurovědci se zaměřují na pozorovatelné chování a poznamenávají, že organismy vykazují silnější návyk s častějšími nebo méně intenzivními podněty.

Kognitivní vědci však trvají na testování existence vnitřních změn a formování paměti po navyknutí. Při dodržení jejich metodiky se habituace zdá silnější na méně časté nebo intenzivnější podněty.

Studie ukazuje, že chování modelů je v souladu s oběma pohledy. Při habituaci se reakce více snižuje při častějších nebo méně intenzivních podnětech, ale po habituaci je v těchto případech také silnější reakce na běžný podnět.

"Neurologové a kognitivní vědci studovali procesy, které jsou v zásadě dvěma stranami téže mince," říká Gunawardena. "Věříme, že jednotlivé buňky by se mohly objevit jako mocný nástroj ke studiu základů učení."

Výzkum tak prohlubuje naše chápání toho, jak učení a paměť fungují na nejzákladnější úrovni života. Pokud si jednotlivé buňky mohou "pamatovat", mohlo by to také pomoci vysvětlit, jak si rakovinné buňky vyvinou rezistenci vůči chemoterapii nebo jak se bakterie stanou odolnými vůči antibiotikům – situace, kdy se zdá, že se buňky "učí" ze svého prostředí.

Předpovědi je však třeba potvrdit biologickými údaji z reálného světa. Studie použila matematické modelování k prozkoumání konceptu učení v buňkách, protože jim umožnilo rychle otestovat mnoho různých scénářů, aby zjistili, které z nich stojí za to dále prozkoumat ve skutečných experimentech.

Tato práce by mohla položit základ pro experimentální vědce, aby nyní navrhli laboratorní experimenty a otestovali tyto předpovědi.

"Moon shoot ve výpočetní biologii spočívá v tom, aby byl život programovatelný jako počítač, ale laboratorní experimenty mohou být nákladné a časově náročné," říká Dr. Martinez, který sídlí v Barcelona Collaboratorium, společné iniciativě mezi CRG a EMBL Barcelona. speciálně navržený pro pokrok ve výzkumu založeném na matematickém modelování k řešení velkých otázek v biologii.

"Náš přístup nám může pomoci stanovit priority, které experimenty s největší pravděpodobností přinesou hodnotné výsledky, ušetří čas a zdroje a povedou k novým průlomům," dodává. "Myslíme si, že může být užitečné vyřešit mnoho dalších základních otázek."

Další informace o tomto výzkumu naleznete v článku Buňky vykazují překvapivé schopnosti učení .

Odkaz: "Biochemicky věrohodné modely habituace pro jednobuněčné učení" od Liny Eckert, Maria Sol Vidal-Saez, Ziyuan Zhao, Jordi Garcia-Ojalvo, Rosa Martinez-Corral a Jeremy Gunawardena, 19. listopadu 2024, Current Biology .

DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.041

- mai