 |
| Μήπως αυτά τα βακτήρια βασίζονται στις δυνάμεις Casimir στις μεμβράνες τους; |
Το φαινόμενο Casimir είναι ίσως πιο γνωστό ως ένα κβαντικό φαινόμενο, στο οποίο οι διακυμάνσεις κενού μπορεί να οδηγήσουν σε μια ελκτική δύναμη ανάμεσα σε δύο παράλληλους καθρέπτες. Αλλά υπάρχει επίσης και ένα θερμοδυναμικό ισοδύναμο, που προκαλείται από τις διακυμάνσεις στη σύνθεση ενός ρευστού κοντά στο κρίσιμο σημείο του. Νέα έρευνα από τους φυσικούς στις ΗΠΑ δείχνει ότι αυτές οι "κρίσιμες δυνάμεις Casimir" δρουν επί των πρωτεϊνών στο εσωτερικό των κυτταρικών μεμβρανών, επιτρέποντας στις πρωτεΐνες να επικοινωνούν μεταξύ τους και να διεγείρουν τα κύτταρα να αντιδρούν σε αλλεργιογόνα όπως η γύρη.
Όλα τα κύτταρα περιβάλλονται από μια μεμβράνη που ελέγχει τη ροή των ουσιών μέσα και έξω από τον οργανισμό. Οι μεμβράνες αποτελούνται από μόρια που ονομάζονται λιπίδια εντός των οποίων είναι ενσωματωμένες πρωτεΐνες. Κάποτε πίστευαν ότι αυτές είναι ουσιαστικά ομοιόμορφες, αλλά μια σειρά από πειράματα, αρχής γενομένης από τη δεκαετία του 1970 και του 1980 έδειξαν ότι τα λιπίδια κανονικά συμπλέκονται για να σχηματίσουν διαφορετικές δομές δεκάδες ή εκατοντάδες φορές μεγαλύτερες από τα ίδια τα μόρια των λιπιδίων. Οι επιστήμονες δεν καταλαβαίνουν, όμως, από που προήλθε η ενέργεια, που απαιτείται για να διατηρηθούν αυτές οι δομές.
Το 2008 ο βιοφυσικός Sarah Veatch στο πανεπιστήμιο του Cornell στα βόρεια της πολιτείας της Νέας Υόρκης και οι συνεργάτες του βρήκαν μια λύση. Ήταν γνωστό ότι πάνω από τους 25 ° C οι μεμβράνες που απομονώθηκαν από μητρικά κύτταρα υπάρχουν μόνο σε υγρή φάση, ενώ κάτω από αυτή τη θερμοκρασία μπορούν να διαχωρισθούν σε δύο διακριτές φάσεις, που αποτελούνται από τα διάφορα είδη των λιπιδίων και των πρωτεϊνών - όπως το λάδι και το νερό που αρνούνται να αναμειχθούν όταν τα φέρουμε μαζί. Αυτό που ανακάλυψαν στην ομάδα Veatch ήταν ότι, δεδομένου ότι μειώθηκε η θερμοκρασία των μεμβρανών κοντά σε εκείνη στην οποία οι φάσεις διαχωρίζονται, γνωστό ως κρίσιμο σημείο, μικρές διακυμάνσεις της δεύτερης φάσης άρχισαν να εμφανίζονται. Τέτοιες διακυμάνσεις - μεγέθους αρκετών μικρών και ήταν ορατές από οπτικό μικροσκόπιο - δεν απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για να σχηματιστούν.
Μια "κρίσιμη" ματιά στην κρισιμότητα
Ο Veatch έκτοτε μετακόμισε στο Πανεπιστήμιο του Michigan, αλλά για την τρέχουσα έρευνα συνεργάστηκε με δύο φυσικούς πίσω στο Cornell, τον Benjamin Machta και τον James Sethna, για να κατανοήσουν το σκοπό αυτής της κρισιμότητας. Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι ορισμένα είδη πρωτεϊνών έλκονται σε μία από τις φάσεις ενώ άλλα είδη έλκονται από τη δεύτερη φάση, έτσι τείνουν να σχηματιστούν όμοιες πρωτεΐνες και να διαχωρίζονται αντίθετες πρωτεΐνες. Όπως εξηγεί ο Veatch, αυτές οι πρωτείνες που αλληλεπιδρούν θα σχηματίσουν "συνεχόμενη σηματοδότηση" για τη μετάδοση πληροφοριών σχετικά με την ταυτότητα των ενώσεων γύρω από ένα κύτταρο από πρωτεΐνες υποδοχείς στη μεμβράνη στο εσωτερικό του κυττάρου. Τέτοιες πληροφορίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, για να αποφασίσει αν είναι καλή στιγμή για να διαιρεθεί ή αν είναι ασφαλές να ψάξει για τροφή."Πιστεύουμε ότι ένας λόγος που κυτταρικές μεμβράνες περιέχουν κρίσιμες διακυμάνσεις, είναι για να συμβάλουν στη διευκόλυνση σε ορισμένα από τα πρώτα βήματα σε αυτά τα μονοπάτια που έχουν σημανθεί", λέει.
Για να υπολογίσουν τη τιμή και τη μορφή των δυνάμεων Casimir μεταξύ των πρωτεϊνών, ο Machta χρησιμοποιεί μαθηματικά που αναπτύχθηκαν αρχικά για τη θεωρία των χορδών. Βρήκε ότι, όπως αναμένεται, οι δυνάμεις είναι ελκτικές για τις όμοιες πρωτεΐνες και απωθητικές για τις αντίθετες και ότι δίνουν μια δυναμική ενέργεια αρκετές φορές μεγαλύτερη από εκείνη της θερμικής ενέργειας των πρωτεϊνών", σε αποστάσεις δεκάδων νανομέτρων. Πολύ ισχυρότερες ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, εξηγεί, περιορίζονται σε κλίμακες από περίπου ένα νανόμετρο από τα αποτελέσματα διαλογής ιόντων μέσα στο κύτταρο. "Έχουμε διαπιστώσει ότι με ρύθμιση κοντά στο κρίσιμο σημείο, τα κύτταρα ρυθμίζονται για μια μακρά διακύμανση δύναμη; να ενεργεί μεταξύ των πρωτεϊνών", λέει.
Ο Sethna προσθέτει μια ευρύτερη προοπτική. "Είναι εκπληκτικό το πώς πολλές αντιδράσεις στα κύτταρα περιλαμβάνουν όλες τις ενέργειες του ίδιου μεγέθους όπως θερμικές διακυμάνσεις," λέει. "Πιστεύουμε ότι αυτά τα κύτταρα είναι οικονομικά - γιατί πληρώνουν περισσότερα;"
Ο Veatch έκτοτε μετακόμισε στο Πανεπιστήμιο του Michigan, αλλά για την τρέχουσα έρευνα συνεργάστηκε με δύο φυσικούς πίσω στο Cornell, τον Benjamin Machta και τον James Sethna, για να κατανοήσουν το σκοπό αυτής της κρισιμότητας. Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι ορισμένα είδη πρωτεϊνών έλκονται σε μία από τις φάσεις ενώ άλλα είδη έλκονται από τη δεύτερη φάση, έτσι τείνουν να σχηματιστούν όμοιες πρωτεΐνες και να διαχωρίζονται αντίθετες πρωτεΐνες. Όπως εξηγεί ο Veatch, αυτές οι πρωτείνες που αλληλεπιδρούν θα σχηματίσουν "συνεχόμενη σηματοδότηση" για τη μετάδοση πληροφοριών σχετικά με την ταυτότητα των ενώσεων γύρω από ένα κύτταρο από πρωτεΐνες υποδοχείς στη μεμβράνη στο εσωτερικό του κυττάρου. Τέτοιες πληροφορίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, για να αποφασίσει αν είναι καλή στιγμή για να διαιρεθεί ή αν είναι ασφαλές να ψάξει για τροφή."Πιστεύουμε ότι ένας λόγος που κυτταρικές μεμβράνες περιέχουν κρίσιμες διακυμάνσεις, είναι για να συμβάλουν στη διευκόλυνση σε ορισμένα από τα πρώτα βήματα σε αυτά τα μονοπάτια που έχουν σημανθεί", λέει.
Για να υπολογίσουν τη τιμή και τη μορφή των δυνάμεων Casimir μεταξύ των πρωτεϊνών, ο Machta χρησιμοποιεί μαθηματικά που αναπτύχθηκαν αρχικά για τη θεωρία των χορδών. Βρήκε ότι, όπως αναμένεται, οι δυνάμεις είναι ελκτικές για τις όμοιες πρωτεΐνες και απωθητικές για τις αντίθετες και ότι δίνουν μια δυναμική ενέργεια αρκετές φορές μεγαλύτερη από εκείνη της θερμικής ενέργειας των πρωτεϊνών", σε αποστάσεις δεκάδων νανομέτρων. Πολύ ισχυρότερες ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, εξηγεί, περιορίζονται σε κλίμακες από περίπου ένα νανόμετρο από τα αποτελέσματα διαλογής ιόντων μέσα στο κύτταρο. "Έχουμε διαπιστώσει ότι με ρύθμιση κοντά στο κρίσιμο σημείο, τα κύτταρα ρυθμίζονται για μια μακρά διακύμανση δύναμη; να ενεργεί μεταξύ των πρωτεϊνών", λέει.
Ο Sethna προσθέτει μια ευρύτερη προοπτική. "Είναι εκπληκτικό το πώς πολλές αντιδράσεις στα κύτταρα περιλαμβάνουν όλες τις ενέργειες του ίδιου μεγέθους όπως θερμικές διακυμάνσεις," λέει. "Πιστεύουμε ότι αυτά τα κύτταρα είναι οικονομικά - γιατί πληρώνουν περισσότερα;"
Κάτι για φτέρνισμα
Οι ερευνητές υποψιάζονται ότι η ύπαρξη αυτών των κρίσιμων δυνάμεων Casimir εξηγεί γιατί τα κύτταρα με χαμηλή χοληστερόλη δεν λειτουργούν όπως θα έπρεπε - η απομάκρυνση της χοληστερόλης, που τη χρειάζονται, πηγαίνει τη μεμβράνη μακριά από το κρίσιμο σημείο της. Μπορούν επίσης να εικάζουν ότι οι δυνάμεις εμπλέκονται και στη διαδικασία του φτερνίσματος. Ο Sethna εξηγεί ότι όταν οι πρωτεΐνες-υποδοχείς στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος ανιχνεύσουν ένα αλλεργιογόνο, όπως η γύρη συγκεντρώνονται μαζί και αυτό προκαλεί κατά κάποιο τρόπο μια ομαδοποίηση των ισταμίνων, που προκαλούν το φτέρνισμα. Λέει ότι ίσως ένα αλλεργιογόνο αλλάζει απλώς την προτίμηση των πρωτεϊνών υποδοχέων για μία από τις δύο υγρές φάσεις στην μεμβράνη, επομένως συντάσσονται μαζί.
Η ομάδα ελπίζει ότι το έργο της θα μπορούσε να οδηγήσει σε ιατρικές εφαρμογές. Ο Veatch εξηγεί ότι οι ατέλειες στα λιπίδια πιστεύεται ότι συμβάλλουν σε μεγάλο αριθμό ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου, την αυτο-ανοσία των ασθενειών και φλεγμονές. "Το έργο αυτό μπορεί να ρίξει φως στο πώς θα μπορούσαν να επηρεάσουν τα λιπίδια ορισμένες πτυχές αυτών των ασθενειών", λέει. "Στο μέλλον, φαντάζομαι φάρμακα που στοχεύουν συγκεκριμένα λιπίδια για να ρυθμίζουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών για τη θεραπεία ανθρώπινων ασθενειών."
Ο Sethna προσθέτει, ωστόσο, ότι η χρονική στιγμή για τέτοιες εφαρμογές είναι πιθανό να είναι μακρά. "Η δουλειά μας είναι περισσότερο σαν να πασχίζουμε για το πώς να κάνουμε καλύτερο σκυρόδεμα για την κατασκευή του δεύτερου υπογείου του ουρανοξύστη, που τελικά θα στεγάσει το ρετιρέ των εφαρμογών για την υγεία", λέει.
Η Θεωρία εξηγεί τη συμπεριφορά
Αλλά πέρα από οποιεσδήποτε μελλοντικές εφαρμογές, Sethna υποστηρίζει ότι η ύπαρξη της κρισιμότητας εντός των κυττάρων μειώνει την εξάρτηση από καθαρά εξελικτικούς μηχανισμούς, όταν προσπαθούν να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα κύτταρα." Υπάρχουν πολλά πράγματα για τα κύτταρα που οι βιολόγοι υποθέτουν ότι μπορεί να συμβούν, επειδή "η εξέλιξη έκανε τόσα", λέει. "Εδώ, υποθέτω, ότι η εξέλιξη επέτρεψε στο κύτταρο να βρει αυτό το κρίσιμο σημείο. Αλλά όταν το κύτταρο είναι σε κρίσιμο σημείο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε συστηματική, τη θεωρία για να εξηγήσουμε πολλά από τη συμπεριφορά, χωρίς να τα αποδίδουμε πάντα στην εξέλιξη."
Ωστόσο, ορισμένοι ανεξάρτητοι εμπειρογνώμονες θεωρούν ότι τα πειραματικά αποτελέσματα του Veatch πρέπει να αντιμετωπίζονται με προσοχή, επειδή δεν λήφθηκαν χρησιμοποιώντας κύτταρα ανέπαφα. Κάποιος, ο οποίος ζήτησε να παραμείνει ανώνυμος, ισχυρίζεται ότι ο διαχωρισμός της μεμβράνης από το υπόλοιπο του κυττάρου θα μπορούσε να αφαιρέσει ορισμένα κρίσιμα συστατικά από την μεμβράνη και ότι το σώμα του κυττάρου το ίδιο θα μπορούσε να επηρεάσει τις κρίσιμες διακυμάνσεις κατά κάποιο τρόπο. "Δεν είμαι ακόμα πεπεισμένος ότι η θεωρία που παρουσιάστηκε εφαρμόζεται σε in vivo βιολογικές μεμβράνες," λέει. "Κατά συνέπεια, πιστεύω ότι πρέπει να γίνει πολύ περισσότερη πειραματική εργασία για να ερευνήσει κανείς το φαινόμενο αυτό."
Η έρευνα περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters .
Πηγή, physicsworld.com
Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας
Αλλά πέρα από οποιεσδήποτε μελλοντικές εφαρμογές, Sethna υποστηρίζει ότι η ύπαρξη της κρισιμότητας εντός των κυττάρων μειώνει την εξάρτηση από καθαρά εξελικτικούς μηχανισμούς, όταν προσπαθούν να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα κύτταρα." Υπάρχουν πολλά πράγματα για τα κύτταρα που οι βιολόγοι υποθέτουν ότι μπορεί να συμβούν, επειδή "η εξέλιξη έκανε τόσα", λέει. "Εδώ, υποθέτω, ότι η εξέλιξη επέτρεψε στο κύτταρο να βρει αυτό το κρίσιμο σημείο. Αλλά όταν το κύτταρο είναι σε κρίσιμο σημείο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε συστηματική, τη θεωρία για να εξηγήσουμε πολλά από τη συμπεριφορά, χωρίς να τα αποδίδουμε πάντα στην εξέλιξη."
Ωστόσο, ορισμένοι ανεξάρτητοι εμπειρογνώμονες θεωρούν ότι τα πειραματικά αποτελέσματα του Veatch πρέπει να αντιμετωπίζονται με προσοχή, επειδή δεν λήφθηκαν χρησιμοποιώντας κύτταρα ανέπαφα. Κάποιος, ο οποίος ζήτησε να παραμείνει ανώνυμος, ισχυρίζεται ότι ο διαχωρισμός της μεμβράνης από το υπόλοιπο του κυττάρου θα μπορούσε να αφαιρέσει ορισμένα κρίσιμα συστατικά από την μεμβράνη και ότι το σώμα του κυττάρου το ίδιο θα μπορούσε να επηρεάσει τις κρίσιμες διακυμάνσεις κατά κάποιο τρόπο. "Δεν είμαι ακόμα πεπεισμένος ότι η θεωρία που παρουσιάστηκε εφαρμόζεται σε in vivo βιολογικές μεμβράνες," λέει. "Κατά συνέπεια, πιστεύω ότι πρέπει να γίνει πολύ περισσότερη πειραματική εργασία για να ερευνήσει κανείς το φαινόμενο αυτό."
Η έρευνα περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters .
Πηγή, physicsworld.com
Απόδοση στα ελληνικά, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου