یک نشانه‌ی فیزیکی از دلیل تصمیم سلول برای انتخاب میان مرگ و زندگی کشف شد
دانشمندان در یک همکاری میان‌رشته‌ای در زمینه‌ی زیست‌شناسی، فیزیک و ریاضیات موفق شدند یک نشانه‌ی مکانیکی و فیزیکی از علت تصمیم سلول برای انتخاب میان مرگ و زندگی کشف کنند.
در بسیاری از گونه‌ها از جمله انسان، سلول‌های مسؤول تولید مثل یا سلول‌های زایا (Germ Cells) اغلب بسیار به هم پیوسته‌اند و سیتوپلاسم خود را به اشتراک می‌گذارند. در نوعی کرم لوله‌ای (Nematode) نرماده با نام «کانورابدیتیس الگانس» (Caenorhabditis Elegans) تا ۵۰۰ سلول زایا در غدد جنسی، بافت تولیکننده‌ی تخمک و اسپرم، به یکدیگر متصل شده‌اند. این سلول‌ها در اطراف یک دالان سیتوپلاستی مرکزی قرار گرفته‌اند و مواد سیتوپلاسمی را که رشد سلول را تقویت می‌کند، ردوبدل می‌کنند و در نهایت تخمک‌های آماده‌ی باروری تولید می‌کنند.
در مطالعات گذشته، پژوهشگران دریافته‌اند که غدد جنسی کرم‌های لوله‌ای الگانس بیش از حد لازم سلول‌های زایا تولید می‌کنند که فقط نیمی از آن‌ها رشد کرده و به تخمک تبدیل می‌شوند، در حالی که بقیه با آپوپتوز فیزیولوژیکی، مرگ سلولی برنامه‌ریزی شده که در ارگانیسم‌های چندسلولی اتفاق می‌افتد، کوچک می‌شوند و می‌میرند. اکنون دانشمندان شواهد تازه‌ای یافته‌اند که نشان می‌دهد چه عاملی باعث این تصمیم سرنوشت‌ساز سلول میان مرگ و زندگی در خط جوانه‌زایی (Germline) می‌شود.
مرکز بیوتکنولوژی دانشگاه فنی درسدن (BIOTEC)، مؤسسه‌ی بیولوژی و ژنتیک سلول مولکولی ماکس پلانک، خوشه‌ی فیزیک عالی زیستی (PoL) دانشگاه درسدن، مؤسسه‌ی فیزیک سیستم‌های پیچیده‌ی ماکس پلانک، مؤسسه‌ی فلت‌آیرن نیویورک و دانشگاه کالیفرنیا برکلی در این پژوهش که در نشریه‌ی «نیچر» (Nature) منتشر شده با هم همکاری کرده‌اند.
مطالعات پیشین مبنای ژنتیکی و سیگنال‌های بیوشیمیایی را نشان می‌دهد که منجر به مرگ سلول‌های فیزیولوژیکی می‌شود اما مکانیسم‌های انتخاب و شروع آپوپتوز در سلول‌های زایای جداگانه نامشخص است.
سلول‌های زایا در حالی که در امتداد غدد کرم لوله‌ای (نماتد) بالغ می‌شوند، ابتدا به‌صورت همگن در اندازه و حجم رشد می‌کنند اما دانشمندان در مطالعه‌ی اخیر نشان می‌دهند که این رشد همگن ناگهان به رشد ناهمگن تغییر می‌کند که طی آن برخی سلول‌ها بزرگ‌تر و برخی سلول‌ها کوچک‌تر می‌شوند.
سمت چپ: ناپایداری هیدرولیکی در بادکنک، هر هوای وارد شده از طریق لوله‌ی سفید، بادکنک قرمز را باد می‌کند.
سمت راست: تصویر هم‌کانونی دیسک چرخان از سلول‌های زایای کرم لوله‌ای الگانس
Credit: TU Dresden
«نیکولاس کارتیه» (Nicolas Chartier) از نخستین نویسندگان این پژوهش گفت: «با تجزیه‌وتحلیل دقیق حجم سلول‌های زایا و شار مواد سیتوپلاستی در کرم‌های زنده و با توسعه‌ی مدل نظری، یک ناپایداری هیدرولیکی را شناسایی کردیم که یک تفاوت حجم اولیه‌ی کم و تصادفی را تقویت می‌کند و باعث افزایش حجم برخی از سلول‌های زایا و درنتیجه کوچک شدن بقیه می‌شود.»
این پدیده‌ای است که می‌توان آن را با ناپایداری دو بالونی مقایسه کرد که یک موضوع آشنای فیزیک است. این بی‌ثباتی هنگامی ایجاد می‌شود که هم‌زمان به درون دو بالن لاستیکی بدمید و بکوشید هر دو را باد کنید. فقط بالن بزرگ‌تر باد می‌شود زیرا فشار داخلی آن کمتر است و بنابراین باد کردن آسان است.
این همان چیزی است که در انتخاب سلول‌های زایایی هم نقش دارد. چنین اختلاف فشاری تمایل به ایجاد ناپایداری در چیدمان متقارن سلول‌های زایا با حجم یکسان دارد که اصطلاحا به آن ناپایداری هیدرولیکی گفته می‌شود و به رشد سلول بزرگ‌تر با هزینه از سلول کوچک‌تر می‌انجامد.
این تیم پژوهشی، با کاهش مصنوعی حجم سلول‌های زایا از طریق پمپاژ ترموویسکوز (گران‌روی گرمایی) نشان داد که کاهش حجم سلول منجر به اکستروژن (برون‌ریزی) و مرگ سلول می‌شود و نشان می‌دهد که هرگاه سلول کمتر از اندازه‌ی بحرانی شود آپوپتوز (مرگ برنامه‌زیری شده‌ی سلول) القا می‌شود و سلول می‌میرد.
با استفاده از تصویربرداری کانفوکال (هم‌کانونی) پژوهشگران می‌توانند از ارگانسیم کامل کرم زنده تصویربرداری کنند تا تصویری سراسری و دقیق از حجم تمام سلول‌های غدد جنسی و همچنین تبادل مایعات میان سلول‌ها داشته باشند.
استفان گریل، سخنگوی PoL و سرپرست این پژوهش چندرشته‌ای، گفت: «این یافته‌ها بسیار هیجان‌انگیز است زیرا نشان می‌دهد که تصمیم مرگ و زندگی در سلول‌ها از نوع مکانیکی و مربوط به هیدرولیک بافت است.»
او خاطرنشان کرد: «این کمک می‌کند تا دریابیم که ارگانیسم چگونه به‌صورت خودکار سلولی را که به تخمک انتخاب می‌کند. علاوه بر این، این مطالعه نمونه‌ی دیگری از همکاری عالی میان زیست‌شناسان، فیزیکدانان و ریاضی‌دانان در درسدن است.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از مرگ برنامه‌ریزی شده‌ی سلول (Apoptosis)
Credit: Kateryna Kon / Science Photo Library / AFP
منبع: SciTechDaily
