Istraživanja timova sa Centra za genomska istraživanja (CRG) u Barseloni i Medicinskog fakulteta Harvarda u Bostonu pokazuju da pojedinačne ćelije poseduju sposobnost učenja. Ovo otkriće izaziva revoluciju u biologiji jer menja osnovne pretpostavke o tome šta znači biti živ organizam i kako funkcionišu organizmi na najsuptilnijem nivou. Prethodno se smatralo da samo organizmi sa nervnim sistemima mogu da uče, ali sada je jasno da je ova sposobnost prisutna čak i kod jednostavnih, jednoćelijskih organizama, piše SciTech Daily.
Jedno od ključnih otkrića ovog istraživanja je da ćelije nisu samo pasivni entiteti koji slede genetski kod. Umesto toga, poseduju sposobnost donošenja odluka zasnovanih na interakcijama sa sopstvenim okruženjem.
Džeremi Gunavardena, vanredni profesor sistemske biologije na Medicinskom fakultetu Harvarda i koautor studije, objašnjava da ćelije imaju osnovnu formu odlučivanja koja se temelji na učenju iz spoljašnjih stimulusa. Ovo je prekretnica jer znači da čak i najjednostavniji oblici života mogu da prate svoje okruženje, uče iz njega i adaptiraju se na njega. Gunavardena napominje da su ranija shvatanja života, koja su smatrala da su ćelije samo izvršioci genetskih uputstava, sada ozbiljno dovedena u pitanje.
Za istraživanje ovog fenomena, naučnici su se fokusirali na habituaciju, proces u kojem organizmi postepeno prestaju da reaguju na ponovljeni stimulus. Na primer, ljudi prestaju da primećuju zvuk otkucavanja sata ili postaju manje uznemireni svetlom koje treperi nakon dužeg izlaganja.
Ovaj oblik učenja, iako najjednostavniji, omogućava organizmima da uštede energiju i da se fokusiraju na nove ili značajnije stimulanse. Habituacija je dobro proučena kod životinja sa nervnim sistemima, ali je dugo bila nepoznata na nivou jednoceličnih organizama. Ipak, istraživanje je pokazalo da ćelije mogu da dožive sličan oblik učenja, što znači da i oni mogu naučiti kako da odgovore na ponovljeni stimulus.
Iako su prve ideje o učenju kod jednoćelijskih organizama pokrenute još početkom 20. veka, najpoznatiji eksperimenti sa organizmom Stentor roeselii, trepljarom, pružili su prvobitne dokaze za ponašanja koja liče na učenje.
Iako su ti rani eksperimenti ignorisani, istraživanja iz 1970-ih i 1980-ih godina pružila su dodatnu potporu ovoj teoriji. S obzirom na to da su trepljari poput Stentora veoma različiti od organizama sa nervnim sistemima, bila je potrebna velika pažnja kako bi se shvatilo na koji način oni mogu pokazivati ponašanja koja liče na učenje. Rosa Martinez, koautorka studije, naglašava da je ovaj fenomen motivisao istraživače da nastave sa istraživanjima i bolje razumeju molekularne procese koji stoje iza ćelijskog učenja.
Kako bi shvatili mehanizme koji omogućavaju ćelijama da uče, istraživači nisu koristili samo laboratorijske eksperimente, već su se okrenuli matematičkom modeliranju. Korišćenjem računarskih simulacija zasnovanih na matematičkim jednačinama, naučnici su mogli da prate kako se molekularni procesi u ćelijama menjaju kada su izloženi istim stimulansima više puta. Ovaj pristup omogućava istraživačima da dešifruju „jezik“ ćelija, koji je baziran na biohemijskim reakcijama. Na primer, promena u fosforilaciji proteina može da pokrene ili zaustavi određene procese unutar ćelije. Ovaj metod je važan jer omogućava istraživačima da testiraju različite scenarije brzo, bez potrebe za skupim i vremenski zahtevnim eksperimentima u laboratoriji.
Istraživači su analizirali dva ključna molekularna kruga u ćelijama: negativne povratne sprege i inkonzistentne prednje sprege. U negativnim povratnim spregama, izlaz procesa inhibira njegovu sopstvenu proizvodnju, što omogućava održavanje ravnoteže. Na primer, ovo je slično termostatu koji se isključuje kada temperatura u sobi dostigne željeni nivo. Inkonzistentne prednje sprege su procesi u kojima signal aktivira i aktivnost i inhibitor istovremeno, kao što je svetlo koje se automatski isključuje nakon određenog vremena.
Kada su istraživači analizirali kako ove molekularne sprege funkcionišu zajedno, otkrili su da ćelije koriste kombinaciju ovih molekularnih sistema da regulišu svoje reakcije na ponovljene stimulanse, što im omogućava da postignu karakteristike habituacije, poput smanjenja odgovora na ponovljeni stimulus.
Jedno od najuzbudljivijih otkrića u ovom istraživanju jeste sposobnost ćelija da pamte informacije. Istraživači su otkrili da ćelije mogu da sačuvaju memoriju o stimulansima kroz mehanizam koji nazivaju „razdvajanje vremenskih skala“.
Ovo znači da ćelije mogu odmah da reaguju na stimulus, ali istovremeno zadrže sećanje na stimulans za buduće reakcije. Ovaj proces je ključan za razumevanje kako ćelije mogu da se adaptiraju na promene u svom okruženju i razviju neku vrstu memorije. Dr Martinez objašnjava da ovo otkriće može biti korisno za objašnjenje bioloških fenomena poput razvoja otpornosti kod ćelija malignih bolesti na hemoterapiju ili otpornosti bakterija na antibiotike.
— Deepa Rajan (@DeepaHRajan) November 20, 2024
Otkriveno da ćelije mogu da uče, otvara nova pitanja u biomedicinskim istraživanjima, posebno u kontekstu bolesti kao što su rak i infekcije izazvane bakterijama. Ako ćelije mogu da nauče kako da postanu otporne na tretmane, ovo bi moglo dovesti do novih pristupa u lečenju tih bolesti. Iako je potrebno sprovesti dodatne eksperimente kako bi se potvrdili rezultati dobijeni matematičkim modeliranjem, ovo istraživanje već pruža važne smernice za buduće studije.
Dr Martinez takođe naglašava da će računarske simulacije biti ključni alat za buduće biomedicinske eksperimente. Upotreba matematičkog modeliranja može da pomogne istraživačima da daju prvenstvo eksperimentima koje treba sprovesti, čime se štede resursi i ubrzava proces istraživanja. Ovaj pristup omogućava bržu evaluaciju novih teorija i može da bude koristan za rešavanje mnogih fundamentalnih pitanja u biologiji.
Ova istraživanja pokreću revoluciju u razumevanju bioloških sistema i otvaraju nova vrata za razvoj terapija koje se zasnivaju na adaptivnim sposobnostima ćelija. Razumevanje kako ćelije uče i pamte može imati širok spektar primena u biologiji, medicini i čak u tehnologiji, kao što su računarske simulacije za biološke sisteme.
(Telegraf Nauka / SciTech Daily)
#Jednoćelijski #organizmi #mogu #uče #pamte