Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Когда ученые подозревают, что обнаружили причинное явление такого рода, на следующем этапе они должны организовать эксперимент, который мог бы опровергнуть их гипотезу. Левин и Робинсон решили посмотреть, что будет, если не позволять протонным насосам перемещаться после оплодотворения и нарушать идеальную симметрию. С этой целью они подсаживали развивающемуся эмбриону лишние протонные насосы или калиевые каналы, чтобы нивелировать изменения их расположения, имитируя равномерное распределение в неоплодотворенной яйцеклетке. Если они были правы, это равномерное распределение должно было нарушить способность эмбриона различать левую и правую стороны. Так и вышло. В эмбрионах с дополнительными протонными насосами происходила полная путаница, и их сердце могло сформироваться как слева, так и справа. Очевидно, протонные насосы играли важнейшую роль в определении левой и правой сторон тела.

Но одновременно также происходило изменение мембранного потенциала. И это было странно. В третьей главе мы обсуждали, что передача потенциала действия по нервам осуществляется за счет изменения мембранного потенциала. Но почему изменяется мембранный потенциал в только что образовавшемся эмбрионе? Какой в этом смысл, если в эмбрионе еще нет нервов? Левин предположил, что потенциал является частью механизма, с помощью которого эмбрион разъясняет своим клеткам, в какие ткани они должны превращаться. Эту идею озвучила биолог Мина Бисселл: если во всех клетках содержатся одинаковые гены, почему одни из них делают что-то одно, а другие – что-то другое? Почему одни становятся клетками кости, а другие – клетками кожи или нервами?

Призрак лягушки

В 2003 году беспокойная Дэни Спенсер Адамс работала в должности ассистент-профессора биологии и ожидала назначения на постоянную позицию в Смит-колледже в Массачусетсе. Ее специальностью была биомеханика в биологии развития, но работа начинала ей надоедать. После нескольких бессонных ночей она решила не дожидаться назначения, а попытать силы в чем-то более интересном.

Она увидела вакансию для недавно защитившихся исследователей, желающих заниматься изучением лево-правой асимметрии. Это был нестандартный путь в научной карьере, но Адамс так заинтересовалась, что отправилась в Бостон. Через час Левин предложил ей работу, и она уже знала, что согласится.

Адамс начала с изучения протонных насосов, открытых Левиным и Робинсоном. На первом этапе нужно было превратить это открытие в инструмент, который позволял бы контролировать поведение ионов и регулировать мембранный потенциал клетки. Варьируя потенциал в эмбрионах лягушки, они с Левиным смогли добиться situs inversus – зеркального по отношению к норме расположения органов.

Они начали замечать, что у таких головастиков оказывалось нарушено не только расположение внутренних органов: у всех были очень похожие аномалии развития головы и морды. Наблюдалась характерная закономерность. И это было явным подтверждением гипотезы Левина о том, что мембранный потенциал отвечает далеко не только за внутреннюю асимметрию; возможно, он отвечает за построение всего тела.

Дальше необходимо было понять, как наблюдать за изменениями мембранного потенциала невооруженным глазом. Какой метод может позволить увидеть изменение мембранного потенциала не только в пространстве, но и с течением времени?

Адамс остановилась на чувствительном к электричеству красителе, который позволял превращать изменения потенциала в нечто наглядное, в данном случае – в градиент яркости[325]. Разность потенциалов коррелировала с яркостью окраски: высокое напряжение соответствовало ярко-белому цвету, низкое – черному, а промежуточным значениям соответствовали оттенки серого. Краситель можно было вводить в отдельные клетки и следить за ними, даже когда они делились и размножались. Появилась возможность наблюдать за всеми электрическими стадиями в процессе развития эмбриона.

Помните, я рассказывала, что в состоянии покоя нейрон имеет отрицательный заряд внутри по сравнению с зарядом снаружи, с разностью потенциалов 70 милливольт? Так написано в учебниках, поскольку это справедливо для нейронов и многих других зрелых клеток, но в отношении эмбриональных стволовых клеток (молодых клеточек, размножающихся на первых стадиях развития) это неверно. Потенциал покоя стволовых клеток гораздо ближе к нулю (это означает, что заряд на внешней и внутренней поверхности их мембраны почти одинаковый, как у нервной клетки в состоянии “паники на дискотеке”). Но если для нейрона нулевая разность потенциалов – явление преходящее, то для стволовой клетки это постоянный признак.