Nowe badanie pokazuje, że nawet proste organizmy jednokomórkowe, takie jak orzęski i ameby, wykazują przyzwyczajenie, podstawową formę uczenia się, którą wcześniej uważano za charakterystyczną wyłącznie dla bardziej złożonych istot.
To odkrycie nie tylko zmienia nasze rozumienie możliwości komórkowych, ale także otwiera możliwości zastosowań w immunologii nowotworów, sugerując, że nasze komórki odpornościowe mogą zostać przeprogramowane, aby lepiej rozpoznawały i atakowały komórki nowotworowe.
Pies uczy się siadać na komendę. Osoba pochłonięta książką wycisza ciągły szum pralki. Zdolność do uczenia się i adaptacji jest kamieniem węgielnym ewolucji i przetrwania.
Przyzwyczajenie, skromniejsza kuzynka adaptacji, wiąże się ze zmniejszoną reakcją na bodziec po wielokrotnej ekspozycji. Wyobraź sobie, że potrzebujesz trzeciego espresso, aby osiągnąć tę samą czujność, jaką zapewniał kiedyś pojedynczy shot.
Odkrywanie habituacji w prostych organizmach
Do niedawna uważano, że przyzwyczajenie – podstawowa forma uczenia się – ogranicza się do złożonych organizmów wyposażonych w mózgi i układy nerwowe, takich jak owady, ptaki, ssaki i robaki.
Jednak nowe badania opublikowane dzisiaj (19 listopada) w Aktualna biologia ujawnia przekonujące dowody na to, że nawet organizmy jednokomórkowe, takie jak orzęski i ameby – a nawet komórki w naszym ciele – mogą wykazywać przyzwyczajenie podobne do tego obserwowanego u stworzeń wyposażonych w mózg.
Prace prowadzone pod kierunkiem naukowców z Harvard Medical School i Centrum Regulacji Genomu (CRG) w Barcelonie sugerują, że pojedyncze komórki są zdolne do zachowań bardziej złożonych, niż się obecnie uważa.
„To odkrycie otwiera przed nami nową, ekscytującą tajemnicę: w jaki sposób komórki bez mózgu radzą sobie z czymś tak złożonym?” powiedział starszy autor badania Jeremy Gunawardena, profesor nadzwyczajny biologii systemowej w Instytucie Blavatnik w HMS. Współprowadził badania z Rosą Martinez Corral, byłą badaczką ze stopniem doktora w swoim laboratorium, która obecnie kieruje grupą badawczą zajmującą się systemami i biologią syntetyczną w CRG.
Wyniki uzupełniają niewielki, ale rosnący zbiór prac na ten temat. Wcześniejsze prace prowadzone pod kierunkiem Gunawardeny wykazały, że jednokomórkowe orzęski wykazywały zachowania unikające, podobne do zachowań obserwowanych u zwierząt napotykających nieprzyjemne bodźce.
Na tym filmie jednokomórkowy mieszkaniec stawu o imieniu Stentor roeselii wykazuje oznaki zachowań unikowych, jak wykazały wcześniejsze badania prowadzone przez Gunawardenę. Nowe badanie sugeruje, że organizm ten jest również zdolny do przyzwyczajenia.
Zaawansowane modele ujawniają pamięć komórkową
Zamiast badać komórki na naczyniu laboratoryjnym, naukowcy wykorzystali zaawansowane modelowanie komputerowe do analizy, w jaki sposób sieci molekularne wewnątrz komórek orzęsków i ssaków reagują na różne wzorce stymulacji. Znaleźli cztery sieci wykazujące cechy przyzwyczajenia obecne w mózgach zwierząt.
Sieci te miały wspólną cechę: każda sieć molekularna posiadała dwie formy przechowywania „pamięci”, które przechwytywały informacje wyuczone ze środowiska. Naukowcy zauważyli, że jedna pamięć zanikała znacznie szybciej niż druga – jest to forma utraty pamięci konieczna do przyzwyczajenia. Odkrycie to sugeruje, że pojedyncze komórki przetwarzają i zapamiętują informacje w różnych odstępach czasu.
Konsekwencje dla zrozumienia uczenia się i raka
Naukowcy twierdzą, że badanie przyzwyczajeń w pojedynczych komórkach może pomóc w zrozumieniu ogólnego sposobu uczenia się. Odkrycia rzucają także skromne jednokomórkowe stworzenia w nowe, bardziej kuszące światło: to nie tylko maszyny molekularne upakowane w mikroskopijnych ciałach, ale także istoty potrafiące się uczyć.
A co z bardziej praktycznymi zastosowaniami?
Naukowcy ostrzegają, że na razie pozostają one czysto spekulacyjne. Jednak śmiałym pomysłem byłoby zastosowanie koncepcji przyzwyczajenia do związku między rakiem a odpornością.
Nowotwory notorycznie dobrze wymijają się z nadzoru immunologicznego, ponieważ oszukują komórki odpornościowe, aby postrzegały je jako niewinnych świadków. Innymi słowy, komórki odpornościowe odpowiedzialne za rozpoznawanie nowotworu mogą w jakiś sposób przyzwyczaić się do obecności komórki nowotworowej — komórka odpornościowa przyzwyczaja się do bodźca i przestaje na niego reagować.
„To przypomina złudzenie. Gdybyśmy wiedzieli, w jaki sposób te fałszywe spostrzeżenia są kodowane w komórkach odpornościowych, być może uda nam się je przeprojektować tak, aby komórki odpornościowe zaczęły prawidłowo postrzegać swoje otoczenie, guz stał się widoczny jako złośliwy i zabrały się do pracy” – mówi Gunawardena.
„W tej chwili to fantazja, ale jest to kierunek, który chciałbym zbadać w przyszłości”.
Odniesienie: „Biochemicznie wiarygodne modele przyzwyczajenia do uczenia się jednokomórkowego” 19 listopada 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.041
Do dodatkowych autorów należeli Lina Eckert, Maria Sol Vidal-Saez, Ziyuan Zhao i Jordi Garcia-Ojalvo.
Badania były wspierane przez stypendium doktoranckie 2021-FI-B-00408 z Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca z Generalitat de Catalunya; nagroda Uniwersytetu Harvarda w zakresie badań naukowych i inżynieryjnych; Hiszpańska Państwowa Agencja Badawcza i projekt FEDER PID2021-127311NB-I00; Hiszpańskie Ministerstwo Nauki i Innowacji oraz Generalitat de Catalunya; EMBO Fellowship ALTF683–2019, RYC2021-033860-I finansowany przez MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i Unię Europejską NextGenerationEU/PRTR; przy dodatkowym wsparciu hiszpańskiego Ministerstwa Nauki i
Innowacje za pośrednictwem Centro de Excelencia Severo Ochoa (CEX2020-001049-S, MCIN/AEI/10.13039/501100011033) i Generalitat de Catalunya za pośrednictwem programu CERCA; oraz przy wsparciu finansowym z grantu AFOSR FA9550-22-1-0345.
