Дети, газонокосилки, самолеты, поезда, автомобили - почти все шумит. И если два калифорнийских учёных правы, то и живые клетки тоже. В недавних экспериментах с использованием передовой науки о нанотехнологиях исследователи обнаружили доказательства того, что дрожжевые клетки испускают один вид визга, в то время как клетки млекопитающих могут испускать другой. Исследование, хотя и предварительное, потенциально является «революционным», как утверждает один ученый, и возможное, по общему признанию, отдаленное медицинское применение, уже ведется: однажды мышление уйдет, прислушиваясь к звукам, которые издают ваши клетки. врач, до появления симптомов, будь вы здоровы или собираетесь заболеть.
Связанный контент
- Может ли нанотехнология спасти жизни?
Основателем исследования клеточных звуков, или «соноцитологии», как он это называет, является Джим Гимзевски, 52-летний химик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который участвовал в выставке музея молекулярной структуры в художественном музее. Идея о клеточных звуках пришла к нему в 2001 году после того, как медицинский исследователь сказал ему, что, когда живые клетки сердца помещают в чашку Петри с соответствующими питательными веществами, клетки будут продолжать пульсировать. Гимзевски начал задаваться вопросом, могут ли все клетки биться, и если да, то такие крошечные вибрации производят детектируемый звук. В конце концов, рассуждал он, звук - это просто результат силы, толкающей молекулы, создающей волну давления, которая распространяется и регистрируется, когда ударяет по барабанной перепонке. Он также рассуждал, что, хотя шум, создаваемый ячейкой, не будет слышен, он может быть обнаружен особо чувствительным прибором.
Гимзевски хорошо подходит для решения этого вопроса, будучи экспертом в приборостроении - он создал собственные микроскопы - и чувствует себя как дома в мире бесконечно малых. Лидер в области нанотехнологий, или науки манипулирования отдельными атомами и молекулами для создания микроскопических машин, Гимзевский ранее работал в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, где он и его коллеги создали вращающийся молекулярный винт диаметром 1, 5 нанометра или 0, 0000015 миллиметра. Они также построили самые маленькие в мире счеты, которые имели в виде шариков отдельные молекулы диаметром менее одного нанометра. Если не что иное, подвиги, которые получили немалое признание, показали, что многообещающее обещание нанотехнологии имело основание в реальности.
Для своего первого исследования соноцитологии Гимзевский получил дрожжевые клетки от коллег по биохимии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. (Он «получил взгляды», вспоминает он, когда объяснял, почему ему нужны клетки.) Работая с аспирантом Эндрю Пеллингом, Гимзевский разработал способ проверки клеточного шума с помощью нанотехнологического инструмента, называемого атомно-силовым микроскопом (АСМ). Обычно АСМ создает визуальное изображение клетки, пропуская ее очень крошечный зонд, сам по себе настолько маленький, что его кончик микроскопичен по поверхности клетки, измеряя каждый удар и впадину ее внешней мембраны. Компьютер преобразует данные в изображение. Но исследователи UCLA держали крошечный зонд AFM в фиксированном положении, слегка опираясь на поверхность клеточной мембраны «как иглу для записи», говорит Пеллинг, для обнаружения любых звуковых вибраций.
Пара обнаружила, что клеточная стенка поднимается и опускается на три нанометра (около 15 атомов углерода сложены друг на друга) и вибрирует в среднем 1000 раз в секунду. Расстояние, которое перемещает клеточная стенка, определяет амплитуду или громкость звуковой волны, а скорость движения вверх-вниз - ее частота или высота. Хотя громкость звука дрожжевой клетки была слишком низкой, чтобы ее можно было услышать, Гимзевский говорит, что ее частота теоретически была в пределах диапазона человеческого слуха. «Поэтому все, что мы делаем, это увеличиваем громкость», - добавляет он.
Гимзевский (держит модель молекулы углерода в своей лаборатории в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе) использует атомно-силовой микроскоп для «прослушивания» живых клеток. (Дебра ДиПаоло) Частота дрожжевых клеток, которые исследовали исследователи, всегда была в одном и том же высоком диапазоне, «примерно от C до D выше среднего C с точки зрения музыки», - говорит Пеллинг. Опрыскивание спирта дрожжевой клеткой, чтобы убить ее, поднимает поле, в то время как мертвые клетки издают низкий, урчащий звук, который, по словам Гимзевского, вероятно, является результатом случайных движений атомов. Пара также обнаружила, что дрожжевые клетки с генетическими мутациями издают немного другой звук, чем нормальные дрожжевые клетки; это понимание вселило надежду на то, что этот метод в конечном итоге может быть применен для диагностики таких заболеваний, как рак, который, как считается, возникает из-за изменений в генетической структуре клеток. Исследователи начали тестирование различных видов клеток млекопитающих, в том числе костных клеток, которые имеют меньшую высоту, чем дрожжевые клетки. Исследователи не знают почему.
Мало кто из ученых знает о соноцитологической работе Гимзевского и Пеллинга, которая не была опубликована в научной литературе и не исследована. (Исследователи представили свои результаты в рецензируемый журнал для публикации.) Из уст в уста вызвал скептицизм и восхищение. Ученый, знакомый с исследованиями, Герман Гауб, кафедра прикладной физики в Университете Людвига Максимилиана в Мюнхене, Германия, говорит, что звуки, которые, по мнению Гимжевского, являются клеточными вибрациями, могут иметь другое происхождение. «Если бы источник этой вибрации находился внутри камеры, это было бы революционно, впечатляюще и невероятно важно», - говорит Гауб. «Существует, однако, много потенциальных [звуковых] источников вне клетки, которые необходимо исключить». Пеллинг соглашается и говорит, что он и Гимзевский проводят тесты, чтобы исключить возможность того, что другие молекулы в жидкости, омывающей клетки, или даже наконечник самого микроскопа, генерируют вибрации, которые улавливает их зонд.
Ратнеш Лал, нейробиолог и биофизик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который изучал пульсацию клеток сердца, сохраняемых в блюде, говорит, что экспертиза Гимзевского в области нанотехнологий может быть ключом к установлению, производят ли клетки звук. «Главная надежда - использовать это в диагностике и профилактике, - говорит Лал, добавляя: - Если в мире есть кто-то, кто может это сделать, он может».
Гимзевский признает, что необходимо проделать еще большую работу. Тем временем, результаты привлекли внимание его коллеги из UCLA Майкла Тейтелла, патолога, специализирующегося на раке лимфоцитов, типа лейкоцитов. Он подвергает мышечные и костные клетки человека и мыши воздействию наркотиков и химических веществ, чтобы вызвать генетические и физические изменения; Затем Гимзевский попытается «выслушать» измененные клетки и различить их по звукам.
Тейтелл говорит, что мысль об обнаружении рака на самых ранних клеточных стадиях является захватывающей, но вопрос о том, будет ли технология работать в качестве диагностического инструмента, еще предстоит выяснить (или услышать). Он не хочет переоценивать идею: «Может получиться, что все эти сигналы будут настолько мешать, что мы не сможем четко отличить один от другого».
Гимзевский надеется, что работа будет иметь практическое применение, но охота его так же волнует, как и улов. «Каким бы ни был результат, - говорит он, - я в первую очередь движим любопытством и волнением по поводу феномена клеточного движения - что вдохновило природу на создание такого механизма и действительно глубокое понимание того, что означают эти прекрасные звуки». Сама вероятность того, что он обнаружил новую характеристику клеток со всеми интересными вопросами, которые возникают, заключается в том, что, по его словам, «уже более чем достаточно подарка».
