Niedawne badania ujawniają, że poszczególne komórki posiadają zdolność uczenia się, obalając pogląd, że złożone zachowania związane z uczeniem się są charakterystyczne wyłącznie dla organizmów z układem nerwowym.
Korzystając z symulacji komputerowych, badacze wykazali, w jaki sposób komórki dostosowują się do powtarzających się bodźców, dostarczając informacji, które mogą zrewolucjonizować metody leczenia chorób i dalsze badania z zakresu biologii obliczeniowej.
Nowe podejście do zachowań i uczenia się komórek
Poszczególne komórki mogą posiadać zdolność uczenia się, cechę, którą wcześniej uważano za charakterystyczną wyłącznie dla zwierząt z mózgami i złożonym układem nerwowym. To przełomowe odkrycie pochodzi z badań przeprowadzonych przez naukowców z Centrum Regulacji Genomu (CRG) w Barcelonie i Harvard Medical School w Bostonie.
Opublikowano 19 listopada w czasopiśmie Aktualna biologiaodkrycia podważają ugruntowane od dawna założenia dotyczące podstawowej natury życia i mogą zmienić nasze rozumienie zachowań komórkowych.
„Zamiast postępować zgodnie z zaprogramowanymi instrukcjami genetycznymi, komórki zostają wyniesione do rangi jednostek wyposażonych w bardzo podstawową formę podejmowania decyzji opartą na uczeniu się od otoczenia” – wyjaśnia Jeremy Gunawardena, profesor nadzwyczajny biologii systemowej w Harvard Medical School i współautor autor badania.
Badanie przyzwyczajeń komórkowych
W badaniu przyjrzano się przyzwyczajeniu, czyli procesowi, w wyniku którego organizm stopniowo przestaje reagować na powtarzający się bodziec. To dlatego ludzie przestają zauważać tykanie zegara i mniej rozpraszają ich migające światła. Ta najniższa forma uczenia się była szeroko badana na zwierzętach ze złożonym układem nerwowym.
To, czy zachowania przypominające uczenie się, takie jak przyzwyczajenie, istnieją w skali komórkowej, jest kwestią budzącą kontrowersje. Eksperymenty z początku XX wieku z jednokomórkowym orzęskiem Stentor roeselii po raz pierwszy rzuciły światło na zachowania przypominające uczenie się, ale badania te zostały wówczas przeoczone i odrzucone. W latach 70. i 80. XX w. u innych orzęsków odkryto oznaki przyzwyczajenia, a współczesne eksperymenty nadal potwierdzają tę teorię.
„Te stworzenia bardzo różnią się od zwierząt posiadających mózgi. Uczenie się oznaczałoby korzystanie z wewnętrznych sieci molekularnych, które w jakiś sposób pełnią funkcje podobne do tych, które pełnią sieci neuronów w mózgach. Nikt nie wie, jak są w stanie tego dokonać, dlatego uznaliśmy, że należy zbadać tę kwestię” – mówi Rosa Martinez, współautorka badania i badaczka w Centrum Regulacji Genomu (CRG) w Barcelonie.
Zrozumienie przetwarzania informacji komórkowych
Komórki wykorzystują reakcje biochemiczne jako sposób przetwarzania informacji. Na przykład dodanie lub usunięcie znacznika fosforanowego z powierzchni białka powoduje jego włączenie lub wyłączenie. Aby śledzić, w jaki sposób komórki przetwarzają informacje, zamiast pracować z komórkami na naczyniach laboratoryjnych, badacze wykorzystali symulacje komputerowe oparte na równaniach matematycznych w celu monitorowania tych reakcji i dekodowania „języka” komórki. Pozwoliło im to zobaczyć, jak zmieniają się interakcje molekularne wewnątrz komórek pod wpływem wielokrotnego wystawiania na ten sam bodziec.
W szczególności w badaniu przyjrzano się dwóm powszechnym obwodom molekularnym – pętlom ujemnego sprzężenia zwrotnego i niespójnym pętlom wyprzedzającym. W przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego wynik procesu hamuje jego własną produkcję, podobnie jak termostat wyłączający grzejnik, gdy pomieszczenie osiągnie określoną temperaturę. W niespójnych pętlach wyprzedzających sygnał aktywuje jednocześnie proces i jego inhibitor, podobnie jak światło aktywowane ruchem z timerem. Po wykryciu ruchu światło automatycznie wyłącza się po określonym czasie.
Wgląd w pamięć komórkową i przyzwyczajenia
Symulacje sugerują, że komórki wykorzystują kombinację co najmniej dwóch z tych obwodów molekularnych, aby dostroić swoją reakcję na bodziec i odtworzyć wszystkie charakterystyczne cechy przyzwyczajenia obserwowane u bardziej złożonych form życia. Jednym z kluczowych odkryć jest wymóg „oddzielenia skali czasowej” w zachowaniu obwodów molekularnych, w których niektóre reakcje zachodzą znacznie szybciej niż inne.
„Uważamy, że może to być rodzaj «pamięci» na poziomie komórkowym, umożliwiającej komórkom zarówno natychmiastową reakcję, jak i wpływanie na przyszłą reakcję” – wyjaśnia dr Martinez.
Łączenie nauk kognitywnych i neuronauki
Odkrycie może również rzucić światło na długotrwałą debatę między neuronaukami a badaczami kognitywistyki. Przez lata te dwie grupy różnie podchodziły do związku siły przyzwyczajenia z częstotliwością lub intensywnością stymulacji. Neuronaukowcy skupiają się na obserwowalnych zachowaniach, zauważając, że organizmy wykazują silniejsze przyzwyczajenie do częstszych lub mniej intensywnych bodźców.
Jednakże kognitywiści nalegają na badanie istnienia zmian wewnętrznych i tworzenia się pamięci po wystąpieniu przyzwyczajenia. Stosując się do ich metodologii, przyzwyczajenie wydaje się silniejsze w przypadku rzadszych lub intensywniejszych bodźców.
Badanie pokazuje, że zachowanie modeli jest zgodne z obydwoma poglądami. Podczas habituacji reakcja zmniejsza się bardziej w przypadku częstszych lub mniej intensywnych bodźców, ale po habituacji reakcja na powszechny bodziec jest w tych przypadkach również silniejsza.
„Neuronaukowcy i kognitywiści badają procesy, które są w zasadzie dwiema stronami tego samego medalu” – mówi Gunawardena. „Wierzymy, że pojedyncze komórki mogą stać się potężnym narzędziem do badania podstaw uczenia się”.
Implikacje dla badań biologicznych i zastosowań
Badanie pogłębia naszą wiedzę na temat funkcjonowania uczenia się i pamięci na najbardziej podstawowym poziomie życia. Jeśli pojedyncze komórki potrafią „zapamiętać”, może to również pomóc wyjaśnić, w jaki sposób komórki nowotworowe rozwijają oporność na chemioterapię lub w jaki sposób bakterie stają się oporne na antybiotyki – czyli sytuacje, w których komórki wydają się „uczyć się” od swojego otoczenia.
Jednak przewidywania muszą zostać potwierdzone rzeczywistymi danymi biologicznymi. W badaniu wykorzystano modelowanie matematyczne, aby zbadać koncepcję uczenia się w komórkach, ponieważ umożliwiło to szybkie przetestowanie wielu różnych scenariuszy i sprawdzenie, które z nich warto dokładniej zbadać w rzeczywistych eksperymentach.
Przyszłe kierunki badań z zakresu biologii komórkowej
Praca ta może położyć podwaliny pod naukowców eksperymentalnych, którzy będą mogli teraz projektować eksperymenty laboratoryjne i testować te przewidywania.
„Celem biologii obliczeniowej jest uczynienie życia tak programowalnym jak komputer, ale eksperymenty laboratoryjne mogą być kosztowne i czasochłonne” – mówi dr Martinez, który pracuje w Barcelona Collaboratorium, wspólnej inicjatywie CRG i EMBL Barcelona specjalnie zaprojektowany, aby przyspieszyć badania oparte na modelowaniu matematycznym i odpowiedzieć na ważne pytania z biologii.
„Nasze podejście może pomóc nam ustalić priorytety eksperymentów, które najprawdopodobniej przyniosą cenne wyniki, oszczędzając czas i zasoby oraz prowadząc do nowych przełomów” – dodaje. „Uważamy, że przydatne może być rozwiązanie wielu innych podstawowych pytań”.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Komórki wykazują zaskakujące zdolności uczenia się.
Odniesienie: „Biochemicznie wiarygodne modele habituacji do uczenia się pojedynczych komórek” Liny Eckert, Marii Sol Vidal-Saez, Ziyuan Zhao, Jordi Garcia-Ojalvo, Rosa Martinez-Corral i Jeremy Gunawardena, 19 listopada 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.041
