バナナをブレンダーに入れると、元に戻るとは思えません。しかし、たくさんの生きた細胞を混ぜ合わせると、新しい研究はおそらくあなたがそうすべきであることを示唆しています.
そのままにしておくと、細胞の液体内部 (細胞質) は驚くべき再構築能力を持っています。 科学で最近説明された実験 この才能の予想外の範囲を明らかにし、そのメカニズムを掘り下げました。それらは、カオスが侵入した後に細胞が秩序を回復するための準備が整っていることを鮮やかに示しており、いつか完全に人工的な細胞を作成することを望んでいる科学者の見通しを明るくするかもしれません.
スタンフォード大学医学部の化学およびシステム生物学者であるジェームス・フェレルは、「それは本当に偶然の発見であり、8歳の子供が行うと想像するような実験でした. 「卵をたくさん取り、滑らかにして、何が起こるか見てみましょう。」
Ferrell の研究室のポスドク研究者である Xianrui Cheng は、卵が自分自身で解凍するのを最初に目撃したとき、何か他のものを探していました:細胞に死ぬように伝えるシグナルです。健全な成長と発達の通常の部分として、有機体は時々、その細胞の一部がスケジュール通りに死ぬ必要があります. Cheng は、この細胞の自殺 (アポトーシス) の原因となるシグナルが細胞内でどのように広がるかを知りたがっていました。そのためには、細胞質が必要でした.
彼は、一般的な実験動物である、ずんぐりしたアフリカのカエル Xenopus laevis の大量の卵をブレンドすることによって、8 歳児が認めるような方法でそれを手に入れました。 、遠心分離機で。かなり大きな卵細胞は、それぞれ直径が 1 ミリを超えるため、豊富な細胞質源になります。
次に、Cheng はカエルの精子を追加しましたが、彼の意図は混合物を受精させることではありませんでした (そしてすることもできませんでした)。代わりに、アポトーシスに関する以前の研究から、彼は死のシグナルが細胞質を介して広がるにつれて、精子の核が消失することを知っていました.彼が細胞質の管の一端をアポトーシスの引き金にさらすと、核の消失がシグナルの拡散を示します.
しかし、死が核に到着する前に、彼はそれらについて何か奇妙なことに気づきました。精子の核は、最初のランダムな位置にとどまるのではなく、再配置して組織化しているように見えました。 Cheng が顕微鏡下でスライド上の細胞質の一滴をより詳しく見たとき、彼は核が格子状の形成で間隔を空けているのを見た.さらに、細胞器官 (オルガネラ) と骨格タンパク質が核の周りに配置され、チェンにとって皮膚細胞のシートに似たコンパートメントを作成しました.
チェンは、今度は精子なしで再試行しました。それでも、細胞のようなコンパートメントが出現しました。 「どうしてだろう？と思っただけです。生物材料である生体を均質化しました。どうすればある種の構造化された組織に戻ることができるでしょうか?」チェンは言った。 「生き返ったようなものです。」
この活動は印象的でしたが、前例がないわけではありませんでした。自己組織化は、生命システムの多くのレベルで発生します。正しい配列のアミノ酸をつなぎ合わせると、長いペプチド鎖が折り畳まれて機能するタンパク質になります。初期胚内の細胞は、人間を構築するための組織を生成するように配置されます。
同様に、科学者たちは、リボソーム、小胞体、細胞分裂中に染色体を分割する紡錘体、母細胞が娘細胞に分裂するきっかけとなる複合体など、多くの細胞構造の分子成分を取り出して、生きている外でそれらを再構築するように誘導しました。
しかし、さまざまな細胞構造を細胞の自然環境の外に出現させることに科学者がこれまで成功してきたにもかかわらず、Cheng と Ferrell は、細胞質全体をあたかも細胞全体の内部にあるかのように配置することに成功した最初の研究者である、と Rebecca Heald は述べている。カリフォルニア大学バークレー校
「これは、細胞質の特性とその自己組織化能力の驚くべきデモンストレーションです」と彼女は言いました。 「視覚的には、これらの卵をホモジナイズした後に、この種の組織化が自然に起こることは驚くべきことです。」
コンパートメントが出現するのを見て、Cheng と Ferrell はそれがどのように起こったのかを知りたがりました。彼らは、自己組織化には遺伝子の発現が必要ないため、精子に含まれる DNA が原因ではないことを最初から知っていました。しかし、彼らはすぐに別の容疑者に焦点を当てました.それは、精子に由来するアスターと呼ばれる星型のオルガネラです. 「私たちは、精子がアスターを形成し、アスターが細胞質を分割していると考えました」と Ferrell 氏は述べています。
これらのアスターは、微小管と呼ばれる中空の棒で構成され、微小管を構成する中心体として知られる構造から発芽します。細胞が分裂の合間に休むと、微小管アスターが細胞の内容物を整理します。カエルの卵には利用可能な中心体がないため、Cheng が精子を追加したとき、彼は細胞質に強力な組織化ツールを与えました.
しかし、細胞質がなくてはならないものではありません。精子が存在しない場合でも、このプロセスは行われましたが、ほぼ 2 倍の時間がかかり、別の方法で進行しました。細胞質内に小さな空隙が形成され、合体して空の境界域になります。これらの境界内で、微小管は自己組織化され、最終的に精子中心体の誘導の下で形成されたものと非常によく似たコンパートメントを生成しました.
「それは私を驚かせませんが、他の人々を驚かせたと確信しています」とヒールドは言いました.彼女自身の研究は、他の研究と同様に、中心体なしで微小管構造を作成できることを示しています。その鍵は、微小管そのものにあります。 「プロセスが非常に重要な場合、それをサポートする複数のメカニズムが必要になるため、生物学は冗長性に満ちています」と彼女は言いました。
磁石のように、微小管は極性化されています。細胞のプラス端が外側に伸び、マイナス端が核の近くにあることが多い中心体に付着することで、ヒールドが細胞内の羅針盤と表現するものを形成します。ダイニンなどのモータータンパク質は、その極性に導かれて、微小管に沿って貨物を運びます。 (貨物には、再配置が必要な微小管の破片が含まれている場合があります。)
Cheng と Ferrell は、自己組織化には微小管とモータータンパク質の両方が必要であることを発見しました。それらが微小管の形成を妨げ、ダイニンの働きを阻害すると、コンパートメントの形成が停止するか、著しく損なわれた.科学者たちは、細胞の内部構造のもう 1 つの主要な構成要素であるタンパク質アクチンの細いフィラメントも組織化を促進すると予想していましたが、アクチンは不要であることが判明しました。
Heald は、いくつかの例外を除いて、他の細胞も同様の自己組織化能力を持っているのではないかと考えています。 「一部の細胞タイプは、要約できないはるかに複雑な組織を持っています」と彼女は電子メールに書いています. Cheng は現在、他の種の細胞や卵をテストしています。
この能力は、細胞が分裂を終え、受け継いだばかりの成分を再編成しなければならないときに役立つかもしれない、と Ferrell は述べた.彼はまた、免疫細胞や癌細胞などの特定の種類の細胞は、組織内の狭い空間を通り抜け、その過程で内容物をごちゃまぜにしなければならないなど、自己集合する必要があるのではないかと考えています.
「生物学的システムがいかに強力に進化し、選択されて機能するだけでなく、それ自体を構築し、組織化するかについて、私たちはまだ完全に教訓を学んでいないと思います」と Ferrell 氏は述べています。
自己組織化されたコンパートメントには、細胞の主要な構成要素である膜がありません。細胞を取り囲む膜は、細胞と外界との関係を定義します。 「それは生物の皮膚のようなものです」と、パリのキュリー研究所の細胞生物学者である Michel Bornens は Quanta に語った。
膜を欠いているコンパートメントは、シンシチウムと呼ばれる自然の生物学的異常に似ています。粘菌やショウジョウバエの胚などの生物に見られるこれらの大きな細胞では、複数の核が同じ細胞質を共有しています。ダートマス大学の発生生物学者であるエリック・グリフィン氏によると、1 つのハエの胚には境界のない約 6,000 個の核が含まれている可能性があります。 「私にはそのように見えます」と彼は細胞のようなコンパートメントについて語り、そのような大規模な合胞体システムがどのように組織化できるかを説明するのに役立つだろうと付け加えた.
発生中のショウジョウバエの胚内の核のように、Cheng と Ferrell の実験で精子を含むコンパートメントは分裂して、より多くの精子を生成しました。これは Heald にとって「まったく予想外の」結果でした。通常、膜はこのプロセスの輪郭を描きますが、代わりにコンパートメントを囲む空隙が境界になりました. 「境界がなければ、分裂が起こっているのを見ることはできません」と彼女は言いました。 「これは自然に境界を作りました。」
膜内の個々の細胞のようなコンパートメントを隔離する方法を見つけ、それによってそれらを「真に再構成された細胞」にすることが、本当のブレークスルーになるだろうとボルネンは述べた.
20 年以上にわたり、生物学者は最小限の構成要素から細胞を再構成しようとしてきました。そのような人工細胞はまだ遠いかもしれませんが、自然の細胞がどのように機能し、それ自体を構築するかについて強力な洞察を提供する可能性があります。また、新しい目的のために細胞を操作する方法を明らかにすることもできます。
今日まで、生物学者は、小さな液滴やチャンバーを使用するなど、さまざまな方法で人工細胞を分割しようと試みてきました。しかし、Griffin 氏によると、細胞質が細胞のようなコンパートメントに組織化できるという発見は、エンジニアリングが不要である可能性を示唆しています。 「細胞は自分でそれを行います」と彼は言いました。 「そこの違いは、あなたが構造を押し付けていることであり、ここではそれが自然に形成されています。」
