Биоботы возникают из клеток мёртвых организмов, раздвигая границы жизни, смерти и медицины

Жизнь и смерть традиционно рассматриваются как противоположности. Но появление новых многоклеточных форм жизни из клеток мёртвого организма продемонстрировало «третье состояние», которое лежит за пределами традиционных границ жизни и смерти.

Обычно учёные считают смерть необратимым прекращением функционирования организма в целом. Однако такие практики, как донорство органов, показывают, что органы, ткани и клетки могут продолжать функционировать даже после гибели организма. Эта устойчивость поднимает вопрос: какие механизмы позволяют определённым клеткам продолжать работать после смерти организма?

Мы — исследователи, изучающие то, что происходит внутри организмов после их смерти. В нашем недавно опубликованном обзоре мы описываем, как определённые клетки — при наличии питательных веществ, кислорода, биоэлектричества или биохимических сигналов — способны после смерти трансформироваться в многоклеточные организмы с новыми функциями.

Жизнь, смерть и появление чего-то нового

Существование третьего состояния ставит под сомнение традиционное понимание учёными поведения клеток. Хотя метаморфоза гусениц в бабочек или превращение головастиков в лягушек являются хорошо известными примерами трансформации в процессе развития, существует лишь несколько случаев, когда организмы изменяются непредсказуемым образом. Опухоли, органоиды и клеточные линии, которые могут бесконечно делиться в чашке Петри, такие как клетки HeLa, не считаются частью третьего состояния, поскольку они не развивают новых функций.

Однако исследователи обнаружили, что клетки кожи, извлечённые из мёртвых эмбрионов лягушек, были способны адаптироваться к новым условиям чашки Петри в лаборатории, спонтанно реорганизуясь в многоклеточные организмы, называемые ксеноботами. Эти организмы демонстрировали поведение, выходящее далеко за рамки их первоначальных биологических функций. В частности, эти ксеноботы используют свои реснички — небольшие структуры, похожие на волоски — для навигации и перемещения по окружающей среде, тогда как в живом эмбрионе лягушки реснички обычно используются для перемещения слизи.

Ксеноботы также способны к кинематической саморепликации, то есть они могут физически воспроизводить свою структуру и функции без роста. Это отличается от более распространённых процессов репликации, которые предполагают рост внутри или на теле организма.

Исследователи также обнаружили, что одиночные клетки человеческого лёгкого могут самоорганизовываться в миниатюрные многоклеточные организмы, способные передвигаться. Эти антроботы ведут себя и структурированы иным образом. Они способны не только ориентироваться в окружающей среде, но и восстанавливать — как себя, так и повреждённые нейронные клетки, расположенные поблизости.

В совокупности эти открытия демонстрируют присущую клеточным системам пластичность и ставят под сомнение идею о том, что клетки и организмы могут развиваться только определёнными заранее способами. Третье состояние предполагает, что смерть организмов может играть значительную роль в том, как жизнь трансформируется с течением времени.

На диаграмме A показан антробот, строящий мост через повреждённый нейрон в течение трёх дней. На диаграмме B зелёным цветом выделена «шовная» часть в конце третьего дня

Условия после смерти

На способность определённых клеток и тканей выживать и функционировать после смерти организма влияют несколько факторов. К ним относятся условия окружающей среды, метаболическая активность и методы консервации.

Различные типы клеток имеют разное время выживания. Например, у человека лейкоциты погибают через 60–86 часов после смерти организма. У мышей клетки скелетных мышц могут восстанавливаться через 14 дней после смерти, а фибробласты овец и коз можно культивировать в течение примерно месяца после смерти.

Метаболическая активность играет важную роль в том, могут ли клетки продолжать выживать и функционировать. Активные клетки, которые требуют постоянного и значительного поступления энергии для поддержания своей функции, сложнее культивировать, чем клетки с более низкими энергетическими потребностями. Методы консервирования, такие как криоконсервация, позволяют образцам тканей, например костного мозга, функционировать аналогично тканям живых доноров.

Врождённые механизмы выживания также играют ключевую роль в том, будут ли клетки и ткани жить дальше. Например, исследователи наблюдали значительное увеличение активности генов, связанных со стрессом и иммунитетом, после смерти организма, вероятно, для компенсации потери гомеостаза. Кроме того, такие факторы, как травмы, инфекции и время, прошедшее после смерти, значительно влияют на жизнеспособность тканей и клеток.

Различные типы клеток имеют разную способность к выживанию, в том числе и лейкоциты

Такие факторы, как возраст, здоровье, пол и вид, дополнительно влияют на состояние организма после смерти. Это видно на примере сложностей, связанных с культивированием и пересадкой метаболически активных островковых клеток, которые производят инсулин в поджелудочной железе, от доноров к реципиентам. Исследователи полагают, что аутоиммунные процессы, высокие энергетические затраты и деградация защитных механизмов могут быть причиной многих неудач при пересадке островковых клеток.

Как взаимодействие этих переменных позволяет определённым клеткам продолжать функционировать после смерти организма, остаётся неясным. Одна из гипотез заключается в том, что специализированные каналы и насосы, встроенные в наружные мембраны клеток, служат сложными электрическими цепями. Эти каналы и насосы генерируют электрические сигналы, которые позволяют клеткам взаимодействовать друг с другом и выполнять определённые функции, такие как рост и движение, формируя структуру организма, который они составляют.

Степень, в которой различные типы клеток могут претерпевать трансформацию после смерти, также остаётся неопределённой. Предыдущие исследования показали, что определённые гены, участвующие в стрессе, иммунитете и эпигенетической регуляции, активируются после смерти у мышей, данио-рерио и людей, что указывает на широкий потенциал трансформации среди различных типов клеток.

Последствия для биологии и медицины

Третье состояние не только даёт новые представления об адаптивности клеток. Оно также открывает перспективы для новых методов лечения.

Например, антроботов можно получить из живой ткани человека для доставки лекарств без вызывания нежелательной иммунной реакции. Введённые в организм антроботы могут потенциально растворять артериальные бляшки у пациентов с атеросклерозом и удалять избыток слизи у пациентов с муковисцидозом.

Важно отметить, что эти многоклеточные организмы имеют ограниченный срок жизни и естественным образом разлагаются через четыре-шесть недель. Этот «выключатель» предотвращает рост потенциально инвазивных клеток.

Лучшее понимание того, как некоторые клетки продолжают функционировать и превращаются в многоклеточные образования через некоторое время после гибели организма, открывает перспективы для развития персонализированной и профилактической медицины.