Άγνωστα μυστήρια του εγκεφάλου - με την αξιοσημείωτη βιολογία του καλαμαριού
Οι γιγαντιαίες νευρικές ίνες του καλαμαριού ήταν απαραίτητες για έρευνα εδώ και δεκαετίες. Τώρα οι ανακαλύψεις στην επεξεργασία γονιδιωμάτων καλαμαριών θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια πληρέστερη κατανόηση του νευρικού συστήματος γενικά.
"Έχουμε tuuuuuubes!" Ο ψαράς Matt Rissell φωνάζει καθώς κλίνει πάνω από το πιστόλι του Skipjack για να ελέγξει τη γραμμή του. Μετά από ένα αλμυρό πρωινό του Απριλίου που πέρασε για να φουντώνει στις ακτές του Cape Cod της Μασαχουσέτης, έρχονται τα πρώτα καλαμάρια της σεζόν.
Ο Rissell κυλιέται και ένας αρσενικός Doryteuthis pealeii (αν και όλοι σε αυτό το σκάφος το αναφέρουν με το παλαιότερο όνομά του Loligo ) βγαίνει από τα κύματα που αναβλύζουν νερό και κουνάνε τα δύο πλοκάμια του και τα οκτώ βραχίονά του. Το ιριδίζον δέρμα του μανδύα του - ο «σωλήνας» - είναι πασπαλισμένο με ροζ, γαλαζοπράσινο και χρυσό, μέχρι που αστραπιαία, καθώς ο Rissell φέρνει το καλαμάρι στο πλάι, μεταμορφώνεται σε ένα θυμωμένο καστανόξανθο.
Άλλα σκάφη είναι επίσης για τρέξιμο με καλαμάρια. Οι Πολωνοί σκύβουν στο μικρό στόλο με ρούχα με ρόλους και ράβδους συγκεντρωμένα εδώ σε ρηχά νερά, όπου τα καλαμάρια αναπαράγονται κάθε άνοιξη. Τα ζώα περνούν το υπόλοιπο του έτους πετώντας γύρω από βαθιά υποβρύχια φαράγγια, παγιδεύοντας ψάρια, καρκινοειδή, ακόμη και καλαμάρια. Περαιτέρω, οι μηχανότρατες σύρουν μεγάλα δίχτυα, κάθε χρόνο προσγειώνοντας χιλιάδες τόνους καλαμάρια, τα περισσότερα εκ των οποίων προορίζονται για τη φριτέζα.
Το καλαμάρι που τραβήχτηκε στο Skipjack, ωστόσο, έχει πιο εγκεφαλικό σκοπό. Θα μεταφερθούν στο θαλάσσιο βιολογικό εργαστήριο Woods Hole λίγα μίλια δυτικά, όπου για σχεδόν έναν αιώνα, αυτά τα καλαμάρια έπαιξαν ζωτικό ρόλο στην έρευνα της νευροεπιστήμης. Τα ζώα έχουν βοηθήσει τους επιστήμονες να ρίξουν φως σε όλα, από τα βασικά της σηματοδότησης των νεύρων έως την εξέλιξη των πολύπλοκων εγκεφάλων. Η μελέτη της μοναδικής βιολογίας του καλαμαριού θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε βελτιωμένες θεραπείες για νευρολογικές και γενετικές διαταραχές στον άνθρωπο.
Πέρυσι, αυτή η έρευνα έκανε ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός όταν μια ομάδα επιστημόνων στο εργαστήριο χρησιμοποίησε με επιτυχία το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων CRISPR-Cas9 για να απενεργοποιήσει ή να "χτυπήσει" ένα γονίδιο στο καλαμάρι Doryteuthis - ένα πρώτο για οποιοδήποτε μέλος του ταλαντούχα ομάδα μαλακίων γνωστά ως κεφαλόποδα. Το έργο ανοίγει το δρόμο για τους επιστήμονες να διερευνήσουν τη γενετική πίσω από τις σχεδόν εξωγήινες ικανότητες των κεφαλόποδων, από τα κύτταρα του δέρματος που αλλάζουν χρώμα στα καλαμάρια μέχρι την διπλή συμπεριφορά του σουπιού μέχρι την ικανότητα του χταποδιού για μνήμη και μάθηση.
«Πώς έχουν βρει διαφορετικούς τρόπους για να κάνουν αυτές τις πολύπλοκες συμπεριφορές;» αναρωτιέται ο μοριακός βιολόγος Josh Rosenthal καθώς κυλάει ένα καλαμάρι στο Skipjack , και στη συνέχεια το ρίχνει από το jig του σε μια δεξαμενή νερού όπου εξαφανίζεται σε μια άνθιση μαύρου μελανιού. «Αυτά τα πράγματα που προήλθαν βασικά περισσότερο από ένα μαλάκιο παρά από ένα σπονδυλωτό».
Ιστορικά, όμως, ήταν ένα άλλο χαρακτηριστικό του καλαμαριού που τα έκανε διάσημα στους νευροεπιστήμονες. Καθώς το Skipjack επιστρέφει με τουλάχιστον 70 καλαμάρια στη δεξαμενή, ο Rosenthal, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας CRISPR στο Marine Biological Laboratory, φωνάζει πάνω από τον κινητήρα: «Ήταν τα γιγαντιαία νευρικά τους κύτταρα!»
Μεγάλοι άξονες καλαμαριών
Λίγες ώρες αργότερα, βλέπω τι σημαίνει ο Rosenthal ως ο Pablo Miranda Fernandez, ένας νευροεπιστήμονας από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, παίρνει ένα από τα καλαμάρια από το Skipjack στην αίθουσα ανατομής του και χωρίς τελετή να βγει από το κεφάλι του. Πηγαίνει αμέσως για να εργαστεί σε ένα τραπέζι καλυμμένο με κρύο θαλασσινό νερό, κόβοντας φέτες το ημιδιαφανές σώμα του καλαμαριού και αφαιρώντας τρυφερά τα σπλάχνα του με μεταλλικές λαβίδες. Ξεφλουδίζει το σκληρό εσωτερικό κέλυφος του καλαμαριού, ή «στυλό», για να αποκαλύψει ένα ζευγάρι νευρικών ινών, που ονομάζονται άξονες, που εκτείνονται από το κομμένο άκρο του καλαμαριού στον καλά μυώδη μανδύα του.
«Αρκετά καλό», λέει, μετρώντας το πλάτος της ίνας, το οποίο είναι περίπου ένα τέταρτο τόσο παχύ όσο ένα μαγειρεμένο σκέλος μακαρόνια. Δένοντας τα άκρα του νευράξονα, ο Φερνάντεζ τον βυθίζει σε ένα πιάτο με νερό χωρίς ασβέστιο, για να μην διαταράξει τα ιόντα στο εσωτερικό, τα οποία επιτρέπουν στο νεύρο να πυροδοτήσει. Εκατοντάδες φορές μεγαλύτερες από τον μεγαλύτερο άξονα στον άνθρωπο, η περιφέρεια του επιτρέπει στις ηλεκτρικές παλμούς να ταξιδεύουν γρήγορα στον μανδύα , έτσι ώστε το καλαμάρι να μπορεί γρήγορα να απομακρυνθεί από τον κίνδυνο.
Μετά την ανακάλυψη αυτών των γιγαντιαίων ινών το 1936 (οι επιστήμονες αρχικά πίστευαν ότι ήταν αιμοφόρα αγγεία), οι ερευνητές άρχισαν να τις χρησιμοποιούν για πειράματα στους χημικούς και ηλεκτρικούς μηχανισμούς του νευρικού συστήματος και του εγκεφάλου. Ο άξονας του καλαμαριού ήταν τόσο μεγάλος που οι επιστήμονες μπορούσαν να συνδέσουν ηλεκτρόδια σε αυτόν και να τον σπάσουν, μετρώντας τις μεταβολές της τάσης. Θα μπορούσαν να συμπιέσουν το αξοπλασμικό goo μέσα και να μελετήσουν από τι φτιάχτηκε.
Ο Λεονίντ Μόροζ , νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα, αποκαλεί τον γιγαντιαίο άξονα του καλαμαριού «δώρο της φύσης στη νευροεπιστήμη».
Η μελέτη των νεύρων των καλαμαριών είχε ως αποτέλεσμα εκατοντάδες επιστημονικές εργασίες και δύο βραβεία Νόμπελ. Το πρώτο βραβεύτηκε το 1963 για την αποκάλυψη πώς τα νεύρα μεταδίδουν ηλεκτρικούς παλμούς για να επικοινωνούν με άλλα κύτταρα μέσω μιας αλυσίδας βιοχημικών αντιδράσεων . Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται δυναμικό δράσης, είναι ένας θεμελιώδης μηχανισμός σε όλους τους οργανισμούς με νευρικό σύστημα. Το δεύτερο Nobel εμπνευσμένο από καλαμάρια απονεμήθηκε το 1970 για την αποσαφήνιση του ρόλου των νευροδιαβιβαστών, όπως η αδρεναλίνη, στη νευρική σηματοδότηση.
Σήμερα, τα εργαλεία ακρίβειας που μπορούν να μετρήσουν και να χειριστούν μικρότερες νευρικές ίνες έχουν καταστήσει τον γιγαντιαίο άξονα του καλαμαριού λιγότερο απαραίτητο για έρευνα, αλλά το καλαμάρι «έχει ακόμα πολλά μυστήρια και επιστήμη που πρέπει να μάθουμε», λέει ο Fernandez.
Στα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, για παράδειγμα, ο Fernandez συνεργάζεται με μια ομάδα που μελετά εάν ορισμένες πρωτεΐνες μπορούν να παραχθούν μέσα στον άξονα του καλαμαριού, ο οποίος εκτείνεται από ένα κυτταρικό σώμα, αντί να μεταφέρεται στον άξονα από το κυτταρικό σώμα. Η εργασία θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε βελτιωμένες θεραπείες για τα κατεστραμμένα νευρικά κύτταρα στους ανθρώπους, λέει ο Fernandez, αλλά αν δεν καταλάβουμε πρώτα πώς λειτουργεί η βασική διαδικασία σε ένα καλαμάρι, «δεν μπορούμε να ονειρευτούμε καν να κάνουμε τέτοια πράγματα».
Ρυθμιζόμενη γενετική
Άλλα νεύρα καλαμαριού από το Skipjack catch θα χρησιμοποιηθούν από τον Rosenthal για να μελετήσουν την περίεργη ικανότητα του ζώου να μεταβάλλει γενετικές πληροφορίες σε μόρια RNA εντός των νευρικών κυττάρων τους σε πολύ υψηλούς ρυθμούς. Αυτό μπορεί να επιτρέψει στο καλαμάρι να «συντονίσει» τον τρόπο έκφρασης των γονιδίων σε διαφορετικά μέρη του σώματός του - αλλά κανείς δεν ξέρει σίγουρα, λέει ο Rosenthal.
Η καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της επεξεργασίας RNA στο καλαμάρι θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει σε θεραπείες για ανθρώπους. Μια εκκίνηση βιοτεχνολογίας που ιδρύθηκε από τη Rosenthal εργάζεται για να μάθει από τις φυσικές δεξιότητες επεξεργασίας RNA του καλαμαριού για να στοχεύσει ασθένειες του ήπατος, των ματιών και του κεντρικού νευρικού συστήματος στους ανθρώπους, διορθώνοντας τις επιβλαβείς μεταλλάξεις χωρίς να χρειάζεται να αλλάξει μόνιμα το DNA κάποιου.
Αλλά για να διερευνήσουν αυτά και άλλα μυστήρια των κεφαλοπόδων, οι επιστήμονες πρέπει να είναι σε θέση να κάνουν γενετική έρευνα σε αυτά. Αυτό απαιτεί τρία βασικά κομμάτια: τον πλήρη γενετικό κώδικα ενός οργανισμού, την ικανότητα χειρισμού αυτού του κώδικα και την ικανότητα ανάπτυξης του οργανισμού σε ένα εργαστήριο.
Για δεκαετίες, αυτό ήταν δυνατό σε ποντίκια και άλλους κλασικούς οργανισμούς μοντέλων, όπως μύγες φρούτων και σκουλήκια νηματωδών, επιτρέποντας αμέτρητες προόδους στη βιολογία και την ιατρική . Αλλά τα κεφαλόποδα - με τον θησαυρό των εξελικτικών παραξενιών τους - αποδείχθηκαν λιγότερο επιδεκτικά στη γενετική έρευνα (και όχι μόνο λόγω της διαβόητης ικανότητας του χταποδιού να δραπετεύει από τανκς).
Οι δυσκολίες που αντιμετώπισε η ομάδα του Rosenthal κατά την επεξεργασία ενός μόνο γονιδίου σε ένα είδος καλαμαριού δείχνουν τις προκλήσεις που εμπλέκονται.
Λειτουργία Cephalopod
Το πρώτο εμπόδιο ήταν η αλληλουχία του γονιδιώματος του Doryteuthis pealeii , το οποίο χρειάστηκε η ομάδα για να μάθει πού να κάνει την τομή, λέει η νευροβιολόγος Carrie Albertin του Marine Biological Laboratory, η οποία ηγήθηκε της εργασίας προσδιορισμού της αλληλουχίας γονιδιώματος στο καλαμάρι. "Τα γονιδιώματα του κεφαλόποδου είναι μεγάλα και περίπλοκα", λέει.
Όπου το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από περίπου 3,2 δισεκατομμύρια γράμματα ή βάσεις, το γονιδίωμα του καλαμαριού έχει περίπου 4,5 δισεκατομμύρια γράμματα, περισσότερα από τα μισά από τα οποία αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες ακολουθίες. Ακολουθώντας αυτά τα γράμματα, λέει ο Albertin, είναι σαν να συγκεντρώνουμε ένα τεράστιο παζλ που απεικονίζει έναν άδειο μπλε ουρανό. «Όποτε αναπτύσσετε κάτι καινούργιο», λέει, «πρέπει να καταλάβετε πώς να ξεπεράσετε οποιαδήποτε παράξενη πρόκληση η βιολογία αποφασίζει να σας ρίξει»
Μετά από μια δαπανηρή προσπάθεια να ταιριάξει αυτά τα δισεκατομμύρια θραύσματα DNA καλαμαριών και να τα ταιριάξει μαζί, η βιολογία έριξε στην ομάδα μια άλλη καμπύλη μπάλα. Σε αντίθεση με άλλα καλαμάρια, τα αυγά Doryteuthis έχουν ένα παχύ εξωτερικό στρώμα από καουτσούκ, ή χορίου, το οποίο δεν μπορεί εύκολα να τρυπηθεί από τις εύθραυστες βελόνες που χρησιμοποιούνται για την έγχυση του μοριακού εργαλείου επεξεργασίας CRISPR-Cas9 στο αυγό. Είναι ένα παιχνίδι εμβρυϊκής λειτουργίας: Εάν η βελόνα δεν τρυπήσει αρκετά, το CRISPR-Cas9 δεν θα φτάσει στον στόχο του, αλλά αν η βελόνα τρυπήσει πολύ, το αυγό δεν θα αναπτυχθεί.
«Έχω αποτύχει άσχημα σε αυτό για χρόνια», λέει η έμβρυος του St. Mary's College και μέλος της ομάδας επεξεργασίας καλαμαριών Karen Crawford .
Μετά από πολλές δοκιμές και σφάλματα, που επέτρεψε η σταθερή παροχή αυγών καλαμαριών από τα αλιεύματα του Ατλαντικού, ο Crawford βρήκε έναν τρόπο να χρησιμοποιήσει μικρο-ψαλίδι για να κάνει μια σχισμή στο χοριό αρκετά μεγάλο για να περάσει η βελόνα, αλλά αρκετά μικρή για να σφραγιστεί πίσω τη βελόνα και αφήστε το αυγό άθικτο. «Έκανα πολύ καλά να κάνω τρύπες», λέει ο Crawford.
Για το πρώτο νοκ-άουτ, η ομάδα επέλεξε ένα γονίδιο υπεύθυνο για μελάγχρωση στο καλαμάρι. Διάλεξαν το γονίδιο χρώσης επειδή θα ήταν εύκολο να δούμε αν η επεξεργασία είχε λειτουργήσει. Και το έκανε. Τον Σεπτέμβριο του 2020, η ομάδα ανέφερε στο περιοδικό Current Biology ότι το γονίδιο είχε διαταραχθεί σε 90 τοις εκατό των κυττάρων στο επεξεργασμένο καλαμάρι, αντιπροσωπεύοντας μια βασική πρόοδο προς την κατεύθυνση της δημιουργίας του καλαμαριού και άλλων κεφαλοπόδων στη γενετική έρευνα. Ενώ τα αναλλοίωτα καλαμάρια ήταν κηλιδωμένα με πολύχρωμα χρωματόφορα, τα καλαμάρια νοκ άουτ ήταν διαυγή σαν γυαλί.
Από τότε, η ομάδα έχει πειραματιστεί με την εξουδετέρωση άλλων γονιδίων, λέει ο Rosenthal, όπως τα δύο γονίδια που επιτρέπουν την επεξεργασία RNA. Αν και η λειτουργία αυτού του γενετικού κόλπου είναι ακόμα ασαφής, φαίνεται να είναι απαραίτητη για το καλαμάρι: Οι προνύμφες που δεν έχουν τα γονίδια επεξεργασίας RNA πεθαίνουν αμέσως μετά την εκκόλαψη.
Αυτό το καλοκαίρι, η ομάδα επικεντρώνεται στην προσθήκη ή «χτύπημα», ενός γονιδίου στο καλαμάρι για να παράγει μια πρωτεΐνη που φθορίζει πράσινη όταν συνδέεται με το ασβέστιο, η οποία ρέει στον άξονα όταν πυροδοτείται ένα νεύρο. Σε συνδυασμό με το νοκ άουτ, αυτό θα επέτρεπε στους ερευνητές να παρακολουθούν κυριολεκτικά καθώς τα νεύρα αναπτύσσονται και αρχίζουν να εργάζονται σε διαφανή καλαμάρια.
Καλλιέργεια καλαμαριών
Παρά τις εξελίξεις αυτές στην έρευνα του Dorytheuthis pealeii και τη διακεκριμένη καριέρα του είδους στην υπηρεσία της επιστήμης, το καλαμάρι έχει ένα σοβαρό μειονέκτημα ως γενετικός ερευνητικός οργανισμός: Δεν μπορεί εύκολα να αναπτυχθεί σε εργαστήριο. "Είναι τόσο μεγάλος ενήλικας", λέει ο Crawford. "Και του αρέσουν τα βαθιά, κρύα νερά των ωκεανών."
Τα Dorytheuthis που έχουν αλιευθεί με άγρια ζωή μπορούν να διατηρηθούν σε δεξαμενές, αλλά δεν επιβιώνουν περισσότερο από μερικές ημέρες. Και ενώ τα αυγά που προέρχονται από άγρια καλαμάρια μπορούν να γονιμοποιηθούν στο εργαστήριο, τα νεογέννητα έχουν μια πολύπλοκη διατροφή και δεν μπορούν να διατηρηθούν αρκετά ζωντανά για να αναπαραχθούν, κάτι που είναι απαραίτητο για τους επιστήμονες να δημιουργήσουν διαφορετικές γενετικές γραμμές.
Ωστόσο, στην πανεπιστημιούπολη Marine Biological Laboratory από την αίθουσα ανατομής, μια εναλλακτική λύση στο Dorytheuthis επιπλέει ειρηνικά σε μια πλαστική μπανιέρα με νερό που έχει υποστεί μίμηση του ωκεανού στα ανοικτά των ακτών της Ιαπωνίας. Λάμποντας ένα φως στην μπανιέρα, ο Taylor Sackmar, ένας ειδικός στον τομέα των κεφαλοπόδων, αποκαλύπτει ένα καλαμάρι κολιμπρί σε σχήμα βότσαλου, Euprymna barryi, διαφανές αλλά για τα αντανακλαστικά κόκκινα μάτια του.
Ο νεογέννητος νεογέννητος είναι ο απόγονος πρώτης γενιάς δύο γονιδιακά επεξεργασμένων γονέων, οι οποίοι επιπλέουν σε κοντινές δεξαμενές σαν ζυμαρικά με πλοκάμια. Η Sackmar μετακινεί το φως στο μητρικό καλαμάρι για να επισημάνει λωρίδες λείπουν χρώματος στο δέρμα της, υποδεικνύοντας ότι δεν διαθέτει δύο γονίδια υπεύθυνα για τη μελάγχρωση. Τα αυγά της, όταν γονιμοποιηθούν από ένα αρσενικό που επίσης δεν έχει αυτά τα γονίδια, εκκολάπτονται αλμπίνο, διαφανή παιδιά.
«Οι απόγονοι αυτής της γυναίκας είναι το κορυφαίο πλεονέκτημα της έρευνας CRISPR», ψιθυρίζει ο Sackmar, σαν να μην ενοχλεί το καλαμάρι.
Σε αντίθεση με τον Dorytheuthis , το καλαμάρι bobtail μπορεί να εκκολαφθεί, να μεγαλώσει και να αναπαραχθεί στο εργαστήριο. Αν και το έργο είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο, ο Σάκμαρ λέει ότι το όραμα είναι το εργαστήριο να προμηθεύσει μια μέρα τους επιστήμονες σε όλο τον κόσμο αυγά καλαμαριού και ενήλικες για γενετικές έρευνες. Το εργαστήριο εργάζεται επίσης για την καθιέρωση πλήρων καλλιεργειών κύκλου ζωής άλλων κεφαλόποδων , συμπεριλαμβανομένων των επιφανειακών σουπιών, των καλαμαριών ριγέ πιτζάμα και του χταποδιού της Καλιφόρνιας δύο σημείων γκολφ. "Εάν αυτό απογειωθεί όπως προβάλλουμε, άλλα εργαστήρια θα θέλουν περισσότερα από αυτά", λέει ο Sackmar.
Ωστόσο, παραμένουν ορισμένες προκλήσεις στη βελτίωση της χρήσης αυτών των κεφαλόποδων ως ερευνητικών οργανισμών. Για παράδειγμα, δεν είναι ακόμη δυνατό να γονιμοποιηθούν αυγά καλαμαριών bobtail in vitro, οπότε οποιαδήποτε γονιδιακή επεξεργασία δεν μπορεί να ξεκινήσει μέχρι το μητρικό καλαμάρι να αποφασίσει να αναπαραχθεί. Τα καλαμάρια χρειάζονται επίσης σχετικά μεγάλο χρόνο για να ωριμάσουν μετά την επώαση, επιβραδύνοντας την έρευνα.
«Οι άνθρωποι που αγαπούν τα καλαμάρια λένε: Ω, αυτό είναι το καλύτερο πράγμα ποτέ. Αλλά η πραγματικότητα είναι ότι η διαδρομή δεν θα είναι εύκολη », λέει ο Miguel Holmgren, άλλο νευροεπιστήμονας των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας που χρησιμοποιεί τον γιγαντιαίο άξονα του καλαμιού για έρευνα.
Ο Moroz, νευροεπιστήμονας της Φλόριντα, πιστεύει ότι το καλαμάρι είναι πολύ απλό για να απαντήσει σε πολλές ερωτήσεις σχετικά με τη νευροβιολογία του κεφαλόποδου, αν και αποκαλεί την έρευνα "εξαιρετικά σημαντικό βήμα". Με τον συνδυασμό νευρικής πολυπλοκότητας και εξελικτικής διακριτικότητας, λέει ότι οποιαδήποτε βασική έρευνα για τα κεφαλόποδα «πραγματικά θα επιταχύνει την κατανόησή μας για τον εγκέφαλο, με τον ίδιο τρόπο που έκανε ο γιγάντιος άξονας καλαμάρια».
"Αυτοί οι οργανισμοί υπήρχαν από το τέλος του Παλαιοζωικού" πριν από 250 εκατομμύρια χρόνια, λέει ο Crawford. «Έχουν πολλές ιστορίες να πουν».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου