Chimeros ir biofotonika

Ar girdėjote apie chimeras? Graikų mitologijoje tai buvo baisus padaras liūto galva, ožkos liemeniu, iš kurio kyšojo ožkos galva, ir gyvate vietoj uodegos. Terminas taip išpopuliarėjo, kad chimeromis dažnai vadina visokiausias pasakų ir galbūt realaus pasaulio būtybes. Tai gali būti trigalviai slibinai, kentaurai, harpijos arba žmogaus ir gyvūnų hibridai, kuriuos sukūrė daktaras Moras savo liūdnai pagarsėjusioje saloje. Mokslininkai jau sukūrė instrumentus, su kuriais netrukus bus įmanoma tą padaryti.

Vizijos

Yra išleista įvairių knygų, kur tie sutvėrimai kruopščiai surinkti ir netgi suklasifikuoti. Žmonių fantazija, kai norima paaiškinti paslaptingus reiškinius ar pagerinti gamtą, išties neribota. Arba tuomet, kai mūsų viduje glūdintys demonai ištrūksta išorėn iš pasąmonės. Žymus rašytojas Chorche Luisas Borchesas su savo kolege 1967 metais išleido knygą „Fantastiškoji zoologija“. Ją ruošdami, jie Kolumbijos ir Paragvajaus gyventojų prašė, kad šie siųstų pasakojimus apie jų gimtosiose vietose slampinėjusias pabaisas. Tokių pabaisų apstu visuose žemynuose ir kultūrose. Netgi XXI amžiuje mažai kas pasikeitė. Išnykusias pabaisas keičia naujos, kadangi, kaip taikliai pastebėjo vienas mokslininkas, kiekvienas iš mūsų turime savo monstrą. Arba, pasak Josifo Brodskio, mitologiniai sfinksai su moters krūtimis, sparnuoti liūtai, minotaurai ir chimeros – ženklai, atspindintys mūsų genetinę evoliucijos atmintį.

Metodai

XX amžiaus antroje pusėje žmonės iš tiesų ėmė kurti chimeras. Aišku, ne tam, kad jomis gąsdintų neklusnius vaikus ar pildytų turtuolių įgeidžius. Norėdami geriau suprasti ligų mechanizmus, mokslininkai jau yra sukūrę beždžiones su dalinai žmogiškomis smegenimis, peles su žmogaus imunine sistema. Suleidus žmogaus embriono kamieninių ląstelių į avies embrioną, kai kuriuose gimusios avies organuose buvo net iki 40 % žmogiškų ląstelių. Naujausi planai – pelė, kurios smegenys bus sudarytos vien iš žmogaus neuronų.

Chimera. Luvro muziejaus ekspoantas. Nuotr: „Wikipedia“

Vis didėjantį susidomėjimą chimeromis ir jų kūrimą paskatino eksperimentai su žmogaus embrionų kamieninėmis ląstelėmis. Iš šių ląstelių mokslininkai tikisi išauginti bet kokius žmogui reikalingus organus. Tačiau kol kas niekas nežino, kaip tos ląstelės elgsis, perkeltos į paciento organizmą. Pavyzdžiui, ar jos nepavirs vėžinėmis? Todėl dabar žmogaus kamieninių ląstelių savybės tiriamos, suleidžiant jas gyvūnams. Taip ir gimsta įvairios chimeros. Viena mokslininkų grupė žmogaus embriono kamienines ląsteles, iš kurių vystosi neuronai, implantuoja į beždžionių smegenis, tikėdamasi sukurti gydymo metodiką, kuria bus atkuriamos Parkinsono ligos pažeistos smegenys. Irvingas Waismanas iš Stenfordo universiteto ketina tyrinėti žmogaus smegenų auglių vystymąsi ir gydymo modelius. Todėl jis nori perkelti žmogaus neuronų kamienines ląsteles į pelę, kuri gimsta be savo neuronų. Tokia pelė būtų tarsi žmogaus smegenų mini modelis. Ji, aišku, nepradėtų kalbėti ir netaptų žmogumi, kadangi jos smegenų tūris būtų maždaug tūkstantį kartų mažesnis negu žmogaus. Protui ir intelektui reikalinga kritinė masė, kurios neturėjo net australopitekas, nors jo smegenų tūris siekė beveik pusę litro...

Šviesa kaip instrumentas

Kaip sakė Juozas Erlickas, susapnuoti galima daug ką, tačiau gyvenime nei būna taip, nei ką. Teisinga mintis, jeigu ne vienas „bet“. Įsigijus tinkamą instrumentą, daug idėjų ar net sapnų galima įgyvendinti. Gal ir tikrą chimerą sukurti. Tačiau, manipuliuojant su gyva medžiaga ir, taip sakant, skverbiantis į Dievo valdas, vien elektros (kaip dr. Frankenšteinui) nepakanka. Naujausios tendencijos liudija, kad Dievas, ištaręs „tebūnie šviesa“, pasirinko labai teisingą instrumentą.

Lazerio spinduliu galima lengvai prakiurdyti eritrocitą, kuris didelės koncentracijos druskos tirpale susiraukšlėja. Ultravioletiniu lazeriu padarius skylutę membranoje, eritrocitas išpampsta ir atgauna savo įprastinę apvalią formą. Dėl skirtingos druskų koncentracijos skystis ima veržtis pro membranos skylutes į eritrocito vidų. Tačiau membrana greitai susiremontuoja arba regeneruojasi ir kraujo kūnelis nesprogsta nuo skysčio pertekliaus.

Lazerių panaudojimas medicinoje prasidėjo prieš maždaug 15 metų. Dabar lazeriai naudojami ir transgeniniams organizmams kurti. O transgeniniai organizmai yra ne kas kita, kaip minėtos chimeros. Pavyzdžiui, genetiškai modifikuotos pelės, turinčios žmogaus genų. Lazeris pavirto universaliu instrumentu, kurio spinduliu „čiupinėjami“, gręžiami, pjaustomi ir kitaip valdomi įvairiausi biologiniai objektai: ląstelės, organelės ir net atskiros molekulės. Kaip visa tai veikia?

Principinė schema gan paprasta. Du lazeriai sumontuojami ir veikia kartu su mikroskopu. Infraraudonojo lazerio šviesos spindulys gali judinti ir išlaikyti daleles. Ultravioletiniu lazeriu pjaunami ir gręžiami įvairūs audiniai. Tai lazerio mikrospindulių sistema, sudaryta iš inversinio mikroskopo, veikiančio kartu su ultravioletiniu bei infraraudonuoju lazeriais. Mikroskopas valdomas svirtimi ir koordinačių ekranu. Kai lazerio spindulys sufokusuojamas darbinėje plokštumoje, į tą plokštumą įvedamas tiriamasis objektas. Pavyzdžiui, kokia nors augalinė arba gyvulinė ląstelė. Naudojant infraraudonąjį lazerį kaip optinį pincetą, juo galima judinti ląstelės viduje esančias organeles. Kadangi šie lazeriai nespinduliuoja matomo spektro šviesos, jo spindulys paprasta akimi nematomas.

Taigi, naudojant lazerinį, arba optinį pincetą, galima tirti elastines įvairių ląstelės struktūrų savybes. Taip pat matuoti tas struktūras laikančias jėgas, ištraukti įvairias daleles iš sparčios citoplazminės srovės arba jas stabdyti. Įdomiausia yra tai, kad taip čiupinėjant ląstelių vidinius organus, jos sienelė nepažeidžiama. Trumpai sakant, tokiu būdu galima sužinoti, kaip stabilizuojama ląstelių vidinė struktūra ir kokios jėgos valdo tų struktūrų judėjimą. Tai domina ne tik fundamentinių mokslų atstovus, bet ir medikus, kadangi kuo geriau pažinsime ląstelių vidinį gyvenimą, tuo efektyviau galėsime taisyti įvairius medžiagų apykaitos ir kitokius sutrikimus.

Judėjimas ląstelės viduje – labai svarbus procesas. Be gerai sustyguoto transporto sistemos ląstelės kaip mat būtų paralyžiuotos. Taip, kaip didmiesčių gyvenimas paralyžiuojamas piko valandos metu. Taigi, kažkas turi tą judėjimą valdyti. Tai irgi tiriama, naudojant lazerių mikrospindulius.

Pavyzdžiui, lazeriniu pincetu tiriant vieną amebos rūšį, matosi intensyvus maistinių medžiagų judėjimas pirmuonio viduje. Tai vienas sparčiausių judėjimų, kada nors stebėtų gyvulinėse ląstelėse.

Į tokią protoplazminę „veną“ nukreipus optinį pincetą, galima sukurti naują atšaką. Išjungus lazerį, sistema visiškai atsistato. Būtent taip tiriama membranų dinamika ir jų tamprumas, taip pat galima kiekybiškai įvertinti ląstelių viduląstelinę medžiagų apykaitą.

Neribotos galimybės

Gyvų organizmų formavimosi (arba, kitaip sakant, evoliucijos) mechanizmai irgi gali būti tiriami, naudojant lazerį. 1995 metais už paaiškinimą, kokie faktoriai valdo vaisinės muselės drozofilos embriono vystymasi, buvo skirta Nobelio premija. Mokslininkai sužinojo, kad už drozofilos antenų ir kojų vystymąsi atsako ta pati bazinė programa. Pakanka pažeisti vieną procese dalyvaujančią molekulę (moksliškai – transkripcijos faktorių) ir vietoj antenų ant musės galvos užauga kojos. Štai ir pabaisa. Taip ir iki chimerų nebetoli.

Tačiau lazeris gali dar daugiau. Lazerio spinduliu galima valdyti skaidrias biomolekules, perkelti branduolį į kitą ląstelę. Lazerio galima sulieti ląsteles audinių kultūroje, kuriant hibridus. Tai ypač naudingas metodas, naudojamas išvedant naujas augalų veisles. Tarkime, dvi augalinės ląstelės yra arti viena kitos. Jų membranos prakiurdomos keliais ultravioletinio lazerio šūviais. Membranos atsiveria ir ląstelės susilieja. Visiškas susiliejimas trunka kelias valandas.

Taip, beje, galima sulieti įvairių tipų ląstelių genetinę medžiagą, sukuriant hibridinius arba chimerinius augalus. Nauja hibridinė lastelė pasižymi jau kitomis savybėmis. Palankiai susiklosčius sąlygoms, susiliejimas įvyksta greitai. Iš tokio hibrido vėliau išauga naujas augalas. Beje, tokią pačią procedūrą galima atlikti ne tik su dviem, bet ir su trimis ar daugiau ląstelių. O tada mokslininkai atlieka naujai susidariusios membranos tyrimus. Taip žingsnis po žingsnio vis geriau pažįstame pagrindinius gyvybės komponentus ir tobuliname mikrochirurginius instrumentus.

Be abejo, žinduolių ląsteles taip pat galima sulieti, panaudojus lazerį. Tačiau gyvybingų hibridų šiuo atveju gaunama žymiai mažiau, negu eksperimentuojant su augalinėmis ląstelėmis (protoplastais). Be to, ląstelės jautriai reaguoja į aplinkos pokyčius. Susiliejimas irgi trunka kur kas ilgiau. Taip yra todėl, kad žinduolių ląstelėse branduolys yra daug didesnis. Todėl hibridinė ląstelė susiformuoja tik per kelias valandas.

Genų tyrimai

Anksčiau liaudies išmintis bylojo, kad visos ligos nuo nervų. Iššifravus žmogaus genomą, galima sakyti, kad nuo genų. Labiausiai gyvenimą mums gadina genų klaidos, mutacijos. Tai gali būti paveldimi DNR ar chromosomų defektai. Kaip žinote, genų aktyvumas kinta ir dėl aplinkos poveikių. Kaip tą pamatyti ir kaip sužinoti, koks genas sugedo ir kokios to gedimo pasekmės? Lazeriai ir čia jums padės. Viena galimybių - panaudoti lazerį klonavimui. Tokiu būdu galima operuoti DNR, atpjauti geno dalį.

Mūsų žmogiškumo esmė – chromosomų rinkinys, kurias sudaro 22 autosominių chromosomų poros ir viena lytinių chromosomų pora. Daug paveldimų ligų sukelia mikroskopiniai chromosomų defektai. Tai ypač akivaizdu Dauno sindromo atveju, nes jos priežastis – papildoma chromosoma. Kitais atvejais išoriniai pokyčiai ne tokie ryškūs. Tačiau net maždaug 600 ligų priežastys yra chromosomų arba jų fragmentų defektai. Lazerio mikrospinduliu įmanoma labai tiksliai atpjauti ir išskirti įtartiną ar tiriamą chromosomos gabalą. Ši technika gerai matoma, naudojant dažytas chromosomas. Tokiu būdu galima tiksliai nustatyti paveldimas ligas. Tiesa, kol kas šio metodo tikslumas labai priklauso nuo mikroskopo judėjimo tikslumo, t. y. nuo mikromechaninės sistemos dalies. Tačiau metodas dar bus tobulinamas.

Iki šiol genetiškai modifikuojant organizmus, biotechnologai papildomus genus įnešdavo, naudodami taip vadinamus virusinius vektorius. Norint, kad bakterijos pradėtų dideliais kiekiais sintetinti žmogui reikalingą baltymą, virusais įnešdavo tą baltymą koduojantį geną į bakteriją kaip Trojos arklį. Tačiau kartais sunkoka nustatyti, kurioje bakterijos genomo vietoje tas svetimas genas įsijungs. Lazeriniai metodai leidžia tiksliau valdyti šį procesą. Be to, taip įnešamas „švarus“ genas, be jokio virusinio žymeklio.

Toks genų iškirpimas, naudojant lazerius ir kitos subtilios procedūros, pavyzdžiui, genų aktyvumo valdymas ar pavienių ląstelių sužadinimas – tikra lazerinė ląstelių chirurgija, nesukeliant pašalinių veiksnių. Dar labiau praplėsti lazerio veiklos asortimentą galima, naudojant fluorescenciją – nudažius DNR molekulę fluorescuojančiais dažais. Po tokios procedūros DNR grandinė tampa matoma optiniu mikroskopu. Šias grandines taip pat galima labai tiksliai supjaustyti lazeriu. Kol kas šie metodai dar nenaudojami, gydant ar diagnozuojant ligas, tačiau anksčiau ar vėliau tai tikrai įvyks. Tai bus naujas etapas biologinės mikrochirurgijos srityje. Lazeris kol kas yra vienintelis instrumentas, kuriuo galima dirbti objekto viduje, jo nepažeidžiant. Tai tiesiog burtai, kuriuos įvertintų net pats Deividas Koperfildas.

Ateities pasaulio vizijos, kurias piešia medikai, yra didingos. Tai naujų organų išauginimas, individualūs, labai tiksliai veikiantys vaistai. Lazeriai bus vis plačiau naudojami ir itin jautriai ligų diagnostikai. Ir jos turi pagrindo, jeigu naujos idėjos bei technologijos toliau plėtosis tokiu greičiu.