Życie pod mikroskopem

Szacuje się, że na organizm człowieka składa się około 200 rodzajów komórek, jednak ta liczba może się powiększyć. Pracują nad tym naukowcy zrzeszeni w projekcie „Human Cell Atlas” („Atlas ludzkich komórek”), wykorzystując m.in. techniki sekwencjonowania DNA pojedynczych komórek i analizę bioinformatyczną.

W projekcie tym – gdy idzie o rozmach, porównywanym do największego jak dotąd biologicznego przedsięwzięcia, czyli projektu poznania genomu człowieka „Human Genome Project” – chodzi o opisanie budowy i funkcji możliwie największej liczby typów komórek budujących ludzki organizm na różnych etapach jego rozwoju, w warunkach normalnych oraz chorobowych. Byłoby to bezcenne źródło wiedzy dla diagnostyki i leczenia wielu chorób.

„Human Cell Atlas” został oficjalnie zainaugurowany w październiku 2016 r. w Londynie. Już rok później poinformowano o postępach prac i wynikach analizy pierwszego miliona komórek.

Spojrzeć w głąb

Pojęcia „komórka” po raz pierwszy użył Robert Hooke, angielski przyrodnik i eksperymentator, w dziele „Micrographia” z 1665 r. Udoskonalił mikroskop wynaleziony przez niderlandzkiego przedsiębiorcę, Antoniego van Leeuwenhoeka (zob. „Zrozumieć pierwotniaka”, s. 19), i obejrzał w powiększeniu przekroje korka pochodzące z dębu korkowego. To, co zobaczył, skojarzyło mu się z celami mnichów w klasztorach (z ang. cell) i nadał taką właśnie nazwę obserwowanym strukturom. Hooke nie zdawał sobie sprawy, że obserwował martwe komórki, a właściwie tylko ich ściany komórkowe. Komórki roślinne w odróżnieniu od zwierzęcych oddzielone są od otoczenia ścianą komórkową zbudowaną w znacznej części z celulozy. Hooke jednak nie poświęcił swojego życia zgłębianiu zaobserwowanych struktur. Jego umysł sięgał dalej – do gwiazd i planet, które badał za pomocą teleskopów. Miał jednak pecha – a przy tym podobno paskudny charakter – ponieważ jego największym naukowym rywalem był sam Izaak Newton, z którym toczył zażarte dysputy na forum Towarzystwa Królewskiego w Londynie, często wręcz kończące się awanturami.

Bez mikroskopu biologia nie mogłaby zrobić najważniejszego kroku naprzód. Zajrzeć w głąb. Mikroskopia do dziś odgrywa w naukach o życiu olbrzymią rolę, zaś współczesne urządzenia – mikroskopy konfokalne, elektronowe czy sił atomowych – już tylko z nazwy nawiązują do wynalazku van Leeuwenhoeka, wyglądem przypominają raczej stację dowodzenia w NASA.

W tym roku Nagrodą Nobla uhonorowano twórców tomografii krioelektronowej, wykorzystującej preparaty zamrożone w ciekłym azocie, której rozdzielczość sięga kilku angstremów (1Å to jednostka długości równa 10-10 m). W ten sposób można badać np. strukturę wirusa Zika.

Dzięki udoskonalanym technikom mikroskopowym biolodzy mogli nie tylko obejrzeć komórki i je od siebie rozróżnić, ale też zajrzeć do ich wnętrza. A właśnie tam zaczyna się prawdziwy mikrokosmos.

Wiele dekad zajęło zidentyfikowanie podstawowych elementów budulcowych komórek i zrozumienie ich funkcjonowania. Wewnątrz komórki zobaczymy jądro, w którym zlokalizowana jest informacja genetyczna, czyli genom, w postaci dwuniciowego DNA. To centrum dowodzenia otoczone jest przez błoniaste struktury, na których zachodzi synteza białek biorących udział we wszystkich procesach molekularnych żywego organizmu. Energia do zachodzenia reakcji chemicznych dostarczana jest przez mitochondria, mikro­elektrownie, rozsiane w cytoplazmie – swoistej białkowej galaretce. Błony obecne wewnątrz komórek dzielą cytoplazmę na szereg kompartmentów, czyli odrębnych przestrzeni, w których mogą zachodzić różne, czasem konkurencyjne wobec siebie reakcje chemiczne. Na schematach znanych nam z podręczników do biologii może się wydawać, że w komórkach jest mnóstwo miejsca i wszystko swobodnie pływa w galaretowatej cytoplazmie. W rzeczywistości to niezwykle upakowane środowisko, w którym żaden nanometr nie jest marnowany. Na ten obraz wnętrza komórki składa się praca setek naukowców. Komitet Noblowski w 1974 r., kiedy wiele jeszcze pozostawało niezbadane, nagrodził trzech biologów (byli to Albert Claude, Christian de Duve i George E. Palade) za „odkrycia dotyczące strukturalnej i funkcjonalnej organizacji komórek”.

Ekspresja genów

W każdej komórce ciała znajduje się identyczny materiał genetyczny. Jak to się więc dzieje, że komórki różnią się od siebie? Na przykład komórki mikrogleju obecne w mózgu i komórki budujące wyspy Langerhansa w trzustce. Te pierwsze to komórki układu odpornościowego obecne w tkance nerwowej. Ich rolą jest monitorowanie mikrośrodowiska w mózgu, usuwanie obumarłych neuronów i reagowanie na stany zapalne. Z kolei komórki wysp trzustkowych kontrolują poziom cukrów we krwi i wydzielają regulujące go hormony: insulinę i glukagon. Dwie zupełnie różne funkcje – ten sam genom.

Sekret tkwi w ekspresji genów, czyli „ujawnianiu się” różnych genów w różnych komórkach. W komórkach mikrogleju nie dochodzi do ujawnienia się genu odpowiedzialnego za produkcję insuliny.

Ekspresja genów to niezwykle skomplikowany i wieloetapowy proces. W skrócie jest to synteza odpowiedniego białka, czyli produktu genu, regulowana w czasie i przestrzeni. Ma na nią wpływ szereg czynników, które koordynują poszczególne etapy. Każda komórka, mając ten sam materiał genetyczny, wybiera z niego tylko tę część, która jest potrzebna do realizacji pełnionej przez nią funkcji w obrębie organizmu. Wybór ten dokonywany jest bardzo wcześnie, już na etapie rozwoju zarodkowego. Pozornie bezkształtny zbitek komórek ma już wtedy zdeterminowany przód i tył, część grzbietową i brzuszną. W każdym z tych segmentów dochodzi do ujawniania się odpowiednich genów, koniecznych do powstania konkretnych organów. Badania nad tym procesem prowadzono szczególnie intensywnie w latach 80. XX w., m.in. w niemieckiej Getyndze. To właśnie tam naukowcy pod kierunkiem Christiane Nüsslein-Volhard (Nobel 1995 wspólnie z Erikiem Wieschausem i Edwardem B. Lewisem) analizowali setki mutantów larw muszek owocowych, by rozwikłać mechanizmy, które dotyczą początków każdego z nas.

„Omnis cellula e cellula!” (wszelka komórka z komórki) – mógł wykrzyknąć Rudolf Virchow w drugiej połowie XIX w., kiedy rozszerzał tzw. teorię komórkową o swoje przełomowe obserwacje (chociaż na takie zachowania tego statecznego niemieckiego patologa nie ma żadnych przekazów historycznych). Teoria komórkowa sformułowana w latach 1838-39 przez Theodora Schwanna i Matthiasa Jacoba Schleidena głosiła, że wszystkie organizmy żywe zbudowane są z osobnych komórek. Virchow dodał do tego, że każda komórka powstaje przez podział już istniejącej. Komórki nie powstają de novo, znikąd. Na tamte czasy było to twierdzenie odważne i graniczące z herezją. Obecnie wiemy, że procesem powstawania nowych komórek zawiaduje cykl komórkowy, na który składa się wiele procesów molekularnych. Nadzoruje on powstanie organizmu z zapłodnionej komórki jajowej, a także procesy regeneracji tkanek (np. wątroby czy kości). Gdy wymyka się spod kontroli, komórka zaczyna żyć własnym życiem i może rozwinąć się w nowotwór. Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt i Paul M. Nurse za swoje badania nad mechanizmami regulującymi cykl komórkowy zostali uhonorowani w 2001 r. Nagrodą Nobla. Pierwsze badania były prowadzone na drożdżach piekarskich, zgodnie z niepisaną zasadą w biologii, że „co działa na drożdżach, działa i u słonia”.

Nieśmiertelna HeLa

Wiele przełomowych badań w biologii było prowadzonych na prostych organizmach, takich jak drożdże, nicienie czy muszki owocowe. Ale z biegiem lat wśród naukowców rosło przekonanie, że muszą nauczyć się hodować w laboratoriach ludzkie komórki. Obecnie komórki do badań można pobrać od dawców w szpitalach albo po prostu kupić od wyspecjalizowanych firm. Sprzedają one głównie unieśmiertelnione linie komórek nowotworowych. Taka fiolka, przechowywana w oparach ciekłego azotu, kosztuje zaledwie kilkaset euro.

Najsłynniejszą linią komórkową na świecie jest linia nowotworowa o nazwie HeLa. W połowie XX w. wielu naukowców pracowało nad metodami, które pozwoliłyby na hodowlę komórek ludzkich w laboratoriach. Testowali różne warunki i pożywki, wzbogacane o substancje pochodzenia zwierzęcego. Przełom nastąpił w 1951 r., kiedy do laboratorium George’a Otto Geya, biologa ze szpitala Johna Hopkinsa w Baltimore, trafiły komórki pobrane od pacjentki onkologicznej Henrietty Lacks.

Klinika Hopkinsa, powołana do życia przez bogatego filantropa, była już wtedy ośrodkiem naukowym słynnym na cały kraj. Ale Henrietta stała się pacjentką Hopkinsa przez przypadek; po prostu był to najbliższy szpital w okolicy małego Clover, w którym mieszkała. W tym czasie na raka szyjki macicy w USA umierało rocznie 15 tys. kobiet. Doktor Richard Wesley TeLinde, ordynator oddziału ginekologii w szpitalu Hopkinsa w Baltimore, zajmował się badaniem najcięższych przypadków, a ponadto pracował nad różnicowaniem nowotworu inwazyjnego od nieinwazyjnego, czyli złośliwego od takiego, który nie daje przerzutów. W tym celu pobierał próbki od każdej kobiety ze zdiagnozowanym rakiem szyjki macicy, która trafiała na jego oddział. Także od Henrietty. Przed przystąpieniem do pierwszej radioterapii chirurg pobrał od niej fragment guza oraz wycinek zdrowej tkanki z macicy.

Wycinki trafiły prosto do laboratorium hodowli tkankowych George’a Geya i jego żony Margaret przy szpitalu Hopkinsa, które prowadziło pionierskie badania nad wyhodowaniem pierwszej nieśmiertelnej linii komórkowej z komórek pobieranych od pacjentów. Próby te dotychczas nie przynosiły wielu sukcesów, komórki szybko umierały albo pożywka, na której rosły, była zakażana przez bakterie lub grzyby obecne w powietrzu. W laboratorium Geya praca w sterylnych warunkach była priorytetem, o co dbała 21-letnia Mary Kubicek, pielęgniarka chirurgiczna. To ona oznaczyła komórki Henrietty skrótem HeLa i umieściła je w inkubatorze.

Ku zaskoczeniu wszystkich, inaczej niż inne komórki, HeLa nie umarły, tylko w warunkach hodowlanych zaczęły się mnożyć tak szybko, że niemal codziennie Mary musiała je przenosić na nowe pożywki. W końcu komórki w hodowli podwajały swoją liczbę co 24 godziny. Na początku Gey podchodził sceptycznie do doniesień na temat postępów komórek HeLa. Dopiero po paru tygodniach zrozumiał, że po upływie trzech dekad w końcu osiągnął sukces. Narodziła się pierwsza nieśmiertelna linia komórkowa.

Komórki HeLa zostały wysłane w kosmos i przyczyniły się do wielu kluczowych badań, m.in. nad szczepionką na wirusa HPV (Nobel 2008, Harald zur Hausen), chemioterapią czy zapłodnieniem in vitro (Nobel 2010, Robert Edwards). Żyją w laboratoriach na całym świecie już ponad 65 lat, a jeden z naukowców oszacował ich dotychczasową wyhodowaną masę na 50 mln ton, czyli tyle co sto nowojorskich budynków Empire State. Obecnie banki komórkowe dysponują kilkuset stabilnymi liniami komórkowymi o różnych dziwnych nazwach: HCT-116 (nowotwór okrężnicy), A549 (nowotwór płuc) czy MIA Paca-2 (nowotwór trzustki). Dostępne są dla nich wystandaryzowane pożywki hodowlane wzbogacane w cielęcą surowicę płodową, w której jest wiele niezbędnych czynników wzrostu i witamin. Niektóre komórki potrzebują do życia bardzo egzotycznych dodatków, np. linia MCF-10A wymaga obecności śladowych ilości toksyny cholery!

Komórki zaskakują i jeszcze nie raz zadziwią naukowców swoimi możliwościami. Dla wielu przyszłych adeptów biologii przełomowym momentem jest zobaczenie komórki pod mikroskopem. Odtąd często już nic nie jest dla nich takie samo. Wiem z doświadczenia. ©

Anna Bartosik

Autorka obroniła doktorat przygotowany w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu. Zajmuje się ­popularyzacją nauki.