Человеческий вид существует больше 200 тысяч лет, и каждый новый организм начинается с одной клетки — она делится, меняет форму и функцию, превращается в ткани, органы, конечности. С небольшими вариациями этот процесс повторялся миллиарды раз, строго следуя одному и тому же плану.

Ученые из Университета Тафтса пытаются расшифровать код, который заставляет клетки собираться в сложные структуры. Их цель — не только понять основы регенеративной медицины, но и научиться создавать из человеческих клеток совершенно новые формы жизни — без вмешательства в ДНК.

Чтобы разгадать этот код, они взяли обычную клетку из человеческой трахеи и поместили ее в необычную среду. В 2023 году биолог Майкл Левин и аспирантка Гизем Гумускайя вырастили из нее «антроботов» — крошечные многоклеточные организмы, способные двигаться, заживлять повреждения в нейронах и принимать разные формы: шарообразные, вытянутые, покрытые ресничками.

В новом исследовании, опубликованном в издании Advanced Science, ученые выяснили, что происходит внутри этих клеток, когда они собираются в новую структуру. Оказалось, клетки, освобожденные от эволюционных ограничений, «вспоминают» древние гены — те, что есть даже у одноклеточных организмов, — а также включают гены, которые работают у эмбрионов. Именно они отвечают за симметрию, слоистость и складчатость тканей.

Когда клетки получают задачу создать не целый организм, а лишь микроскопического бота, они меняют активность почти 9 000 генов — почти половину генома. И все это без генной инженерии.

Понимание этих механизмов может помочь не только в создании синтетических организмов, но и в лечении врожденных патологий. Левин и его команда надеются, что однажды смогут предотвращать пороки развития, выращивать новые органы для трансплантации и даже создавать из клеток пациента крошечных «лекарей», которые будут лечить болезни без отторжения иммунитетом.

Клеточное «железо» и „софт“

Антроботов делают из взрослых клеток, поэтому было неожиданно увидеть, что они включают эмбриональные гены, — говорит Гумускайя.

Среди них — гены, которые помогают клеткам внешнего слоя превращаться во внутренние ткани, а также те, что задают передне-заднюю (голова-хвост) и спинно-брюшную (спина-живот) оси.

Но гены, отвечающие за зеркальную симметрию (например, расположение рук, глаз или почек по бокам тела), не активировались.

Антроботы в основном шарообразные, так что пока трудно сказать, какую именно роль играют эти гены, — объясняет Левин.

Даже если разрезать антробота, он «запомнит» свою форму и восстановится.

Левин сравнивает гены с «железом» клетки — они создают рецепторы, ферменты, ионные каналы. А вот электрические поля, химические сигналы и механические силы — это „софт“, который управляет сборкой тела. И если изменить условия, „софт“ скорректирует „железо“.

Обратный ход биологических часов

Ученые также заметили, что клетки антроботов становятся моложе. С возрастом в ДНК накапливаются повреждения и метильные метки — они определяют «эпигенетический возраст», который может отличаться от реального.

Эпигенетический возраст — это не количество лет с рождения, а степень «изношенности» клетки, измеряемая по химическим меткам на ДНК. Чем их больше, тем клетка „старше“, даже если организм еще молод.

Одному из доноров клеток был 21 год, но его клетки «состарились» до 25 лет. Однако когда из них вырастили антроботов, их эпигенетический возраст упал до 18,7 лет — на 25% моложе исходного материала.

То, что боты оказываются моложе своих исходных клеток, говорит: сам процесс сборки в новую форму может сбрасывать клеточные часы — без всякого генетического программирования, — говорит Гумускайя.

Левин предполагает, что клетки «воспринимают» свою новую структуру как эмбриогенез и подстраивают метки ДНК под текущее состояние.

Можно ли использовать этот механизм для омоложения тканей?

Над этим работаем, — улыбается Левин.

Польза исследования

• Регенеративная медицина — если научиться управлять сборкой клеток, можно выращивать органы для трансплантации прямо в лаборатории.
• Лечение врожденных патологий — понимание, как клетки формируют ткани, поможет предотвращать пороки развития.
• Персонализированная терапия — микроскопические «биороботы» из собственных клеток пациента смогут лечить болезни без риска отторжения.
• Антивозрастные технологии — механизм омоложения клеток через изменение формы открывает новые пути борьбы со старением.

Пока неясно, насколько стабильны антроботы вне лаборатории. Они живут всего несколько недель, и их поведение в реальном организме (например, в теле человека) не изучено. Кроме того, активация эмбриональных генов может нести риски — например, спонтанное перерождение клеток.

Ранее российские ученые создали скаффолды с эффектом памяти для регенерации костной ткани.