Kun ajattelemme sitä, mikä biologiassa määrittelee eliöiden rakenteen, monille tulee ensimmäisenä mieleen DNA:n kaksoiskierre ja sen geneettinen koodi. Tämä geneettinen informaatio on kuin elämän ohjelmisto, joka määrittää kaiken olemuksestamme - tai ainakin niin olemme tottuneet ajattelemaan. Kuitenkin viimeaikaiset tutkimukset, kuten Michael Levinin ja Robert Gatenbyn työ, ovat avanneet uuden näkökulman: solujen bioelektrisen informaation merkityksen eliöiden morfologiassa.
Tässä artikkelissa sukellamme tähän sähköiseen ulottuvuuteen biologisessa maailmassa ja katsomme, miten se muovaa eliöiden morfologiaa - muotoa ja rakennetta. Esitän aiheesta tällä kertaa vain lyhyen tiivistelmän ja käsittelen aihetta tarkemmin ja yksityiskohtaisemmin tulevissa artikkeleissa. Tämä on minullekin enimmäkseen uutta tietoa, jota täytyy vielä sulatella ja tutkia lisää. Toimikoon tämä kirjoitus johdantona biologisen informaation sähköiseen ulottuvuuteen.
Bioelektriset signaalit: Elämän sähköiset peruspilarit
Kuvitellaan hetki, että solu on kuin pieni kaupunki. Tässä kaupungissa on muurit (solukalvo), joiden läpi kulkee monia porteja (ionikanavia). Nämä portit sallivat tietynlaisten "kansalaisten" (ionien) kulun kaupungin sisälle ja ulos. Kaupungin toiminta, kuten valojen syttyminen ja sammuminen (solun aktiivisuus), riippuu suuresti näistä porteista ja niiden läpi kulkevasta liikenteestä. Tämä liikenne luo kaupungin ylle sähköisen kentän, joka muodostaa sen "sähköisen mallin".
Michael Levinin tutkimus on osoittanut, että tämä sähköinen aktiivisuus ei ole pelkästään satunnaista "kaupungin valojen" vilkkumista. Se on itse asiassa kuin koodikieli, joka kertoo solulle, mitä sen pitäisi tehdä ja miten sen tulisi käyttäytyä. Tämä sähköinen koodi vaikuttaa suuresti siihen, miten solut yhdessä muodostavat monimutkaisia rakenteita - eliöiden morfologian.
Tämä viittaa siihen, että geneettisen informaation lisäksi bioelektriset signaalit ovat toinen tärkeä informaatiolähde soluille, ja ne voivat olla avainasemassa auttamassa meitä ymmärtämään, miten monimutkaiset eliömuodot kehittyvät ja ylläpitävät itseään.
Morfogeneesi: muodonmuutoksen sähköinen kieli
Kun ajattelemme, miten sikiö kehittyy kohdussa tai miten haava parantuu, olemme tottuneet ajattelemaan, että DNA:n ohjeet ohjaavat tätä prosessia. Kuitenkin Levinin työ on osoittanut, että tämä prosessi on paljon monimutkaisempi. Se on kuin orkesteri, jossa geneettiset ohjeet ovat vain yksi muusikko monien soittajien joukossa, ja sähköiset signaalit ovat kuin kapellimestari, joka ohjaa musiikin kulkua.
Levinin kokeissa on osoitettu, että muuttamalla solujen sähköistä tilaa, muuttamatta geneettistä koodia, voidaan vaikuttaa radikaalisti siihen, miltä eliö näyttää. Esimerkiksi sammakoilla, joiden sähköistä tilaa on muutettu, on saatu aikaan raajojen uudelleenkasvua. Levinin ryhmän suorittamissa kokeissa on myös tarkan bioelektrisen stimulaation avulla saatu planaria-mato kasvattamaan kaksi päätä tai kaksi häntää. Tämä osoittaa, että solujen sähköinen tila toimii kuin "muistina" tai "karttana", joka ohjaa kehon muodonmuutosta. Näyttää siltä, ettei DNA ole ainoa biologisen informaation lähde.
Solukalvon informaation merkitys
Robert Gatenby, toinen tämän alueen pioneeri, on korostanut solukalvon ja sen läpi kulkevien ionivirtojen merkitystä. Hänen mukaansa suurin osa solun informaatiosta on tallennettuna juuri solukalvolle. Tämä tarkoittaa, että solun toiminta ja kommunikaatio eivät ole pelkästään geneettisten ohjeiden varassa, vaan myös solukalvon sähköisellä aktiivisuudella on keskeinen rooli.
Yhteenveto: uusi näkökulma biologiseen informaatioon
Yhdistämällä Levinin ja Gatenbyn havainnot ja näkemykset voimme nähdä, että biologisen informaation maailma on paljon monipuolisempi kuin aiemmin oletimme. Geneettinen informaatio antaa perusrakenteen (ohjaa esimerkiksi proteiinien valmistusta), mutta solujen sähköiset signaalit muovaavat ja ohjaavat tätä rakennetta reaaliajassa, vastaten ympäristön muutoksiin ja antaen elämälle sen dynaamisen luonteen. Biologisen informaation sähköinen taso näyttää myös toimivan eräänlaisena muistina, johon on koodattu eliön morfologiaan liittyvää tietoa.
Biologiset solut käyttävät sähköisiä signaaleja kommunikoidakseen keskenään ja ohjatakseen monimutkaisia prosesseja, kuten kudosten kasvua, haavojen parantumista ja elinten muodostumista. Esimerkiksi erilaiset sähköpotentiaalien gradientit solujen välillä voivat toimia ohjaussignaaleina, jotka määrittävät solujen kohtalon, kuten erilaistumisen tai uudistumisen.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että häiriöt näissä sähköisissä signaaleissa voivat johtaa kehityshäiriöihin ja sairauksiin. Tämä viittaa siihen, että solujen välinen sähköinen viestintä on tärkeä osa niiden geneettisen ohjelmoinnin ja ympäristöön reagoinnin yhteensovittamisessa.
Tämä "bioelektrinen muisti" ei ole staattinen, vaan dynaaminen ja joustava, mahdollistaen solujen ja kudosten sopeutumisen muuttuviin ympäristöolosuhteisiin ja edistäen niiden kykyä palautua vaurioista. Tämä tutkimusalue tarjoaa jännittäviä mahdollisuuksia lääketieteelliselle tutkimukselle, erityisesti regeneratiivisen lääketieteen ja biologisen mallintamisen aloilla.
Loppupohdinta
Tämä "sähköinen taso" biologisessa informaatiossa avaa uusia mahdollisuuksia ymmärtää elämän monimutkaisuutta ja sen alkuperää. Se haastaa meidät pohtimaan perinteisiä käsityksiämme ja tutkimaan rohkeasti biologian rajoja. Levinin ja Gatenbyn työt ovat vasta alkua matkalla, joka voi johtaa meidät yhä syvemmälle elämän salaisuuksien ymmärtämiseen.
Solututkimuksen edistyessä näyttää siltä, että uusien havaintojen myötä solusta paljastuu aina vain uusia informaation tasoja tai ulottuvuuksia. Pitkään DNA oli kaikki kaikessa ja siitäkin isointa osaa pidettiin geneettisenä roskana, kunnes ENCODE -projekti osoitti, että DNA näyttää todellisuudessa olevan kauttaaltaan funktionaalista informaatiota. Ajatus roska-DNA:sta on osoittautunut pahasti virheelliseksi. Funktionaalinen biologinen informaatio ulottuu kuitenkin vielä tätäkin 'syvemmälle' solukalvon sähköiseen signalointiin.
Uudet solukalvon informaatiosisältöön ja bioelektriseen viestintään liittyvät havainnot ovat siksi mielenkiintoisia. Jos kehitys jatkuu samaan suuntaan, millaisia informaation tasoja tai ulottuvuuksia vielä solusta paljastuukaan.
Merkityksellinen funktionaalinen ja spesifi informaatio viittaa älykkyyteen, joten uudet havainnot biologisen informaation ulottuvuuksista ovat johdonmukaisia sen näkemyksen kanssa, että elämä on tarkoituksenmukainen ja tarkoitushakuinen ilmiö. Tarkoittaako tämä sitä, että elämä on tarkoituksellisen älykkään suunnittelun tulos? Tämä kysymys jää jokaisen yksilön ratkaistavaksi.
Terveisin,
Okulaarinen tieteilijä
Lähdeviitteet:
Levin, M., & Martyniuk, C. J. (2017). The bioelectric code: An ancient computational medium for dynamic control of growth and form. BioSystems, 164, 76-93. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2017.08.009
Levin, Michael, Pezzulo, Giovanni, & Finkelstein, Joshua M. (2017). Endogenous Bioelectric Signaling Networks: Exploiting Voltage Gradients for Control of Growth and Form. Annual Review of Biomedical Engineering, 19, 353-387. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-071114-040647
Gatenby, R.A., Frieden, B.R. Cellular information dynamics through transmembrane flow of ions. Sci Rep 7, 15075 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15182-2
The ENCODE Project Consortium. An Integrated Encyclopedia of DNA Elements in the Human Genome. Nature. 2012 Sep 6; 489(7414): 57–74. doi: 10.1038/nature11247.
Meyer, S. C. (2009). Signature in the Cell: DNA and the Evidence for Intelligent Design. HarperOne.