Naujienos ir renginiai

Naujienos

2019. 11. 27 -

Nustatė unikalų ląstelės membranos ir sienelės tarpusavio ryšį

Aukšto mokslinio lygio „Nature" grupės žurnalas „Scientific reports" spalio mėnesį paskelbė Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) dr. Arūno Stirkės vadovaujamos komandos: dr. Raimondos Celiešiūtės-Germanienės, dr. Aurelijaus Zimkaus, prof. Nerijos Žurauskienės, dokt. Povilo Šimonio, Aldo Dervinio, prof. Arūno Ramanavičiaus bei prof. Sauliaus Balevičiaus - mokslinį straipsnį „Ryšys tarp mielių sienelės porėtumo ir membranos permeabilizacijos po impulsinio elektrinio lauko poveikio” (angl. The link between yeast cell wall porosity and plasma membrane permeability after PEF treatment).
 
Apie šį unikalų, mokslo pasaulį nustebinusį, jungtinės FTMC ir Vilniaus universiteto mokslininkų komandos atradimą, kalbamės su FTMC Funkcinių medžiagų ir elektronikos skyriaus Bioelektrinių reiškinių laboratorijos vadovu dr. Arūnu Stirke.
 
- Kaip įvardintumėte jūsų komandos atlikto ir žurnale „Scientific reports" publikuoto mokslinio tyrimo esmę, tikslus? Kuo reikšmingi šie moksliniai atradimai?
 
Didžiuojamės, kad mūsų eksperimentai davė džiuginančių  ir unikalių rezultatų. Esminis šio mokslinio tyrimo tikslas -  membranos ir sienelės,  dviejų svarbių ląstelės barjerinių funkcijų tarpusavio sąveikos tyrimas. Naudodami skirtingas mokslines metodikas mielių (Saccharomyces cerevisiae)  ląstelės sienelės ir membranos tyrimams, aiškinomės jų tarpusavio ryšius, kaip kinta šių sistemų pralaidumas ir atsistatymas po poveikio impulsiniu elektros lauku.
 
Žinia, iki šiol pasaulyje buvo atlikta nemažai ląstelės membranos pralaidumo impulsinio elektrinio lauko poveikyje tyrimų: šiuos procesus tyrinėjo prancūzų, slovėnų ir daugelis kitų mokslininkų. Yra ir mielių sienelės pralaidumo po impulsinio elektrinio lauko poveikio tyrimų, todėl nesakome, kad sienelės tyrimai – naujiena.
 
Tačiau, mūsų komandos moksliniai eksperimentai iš esmės keičia fundamentinį požiūrį į ląstelės sienelės ir membranos tarpusavio ryšį.  Mes pirmieji nustatėme naują, moksliniais eksperimentais pagrįstą faktą: ląstelės sienelės ir membranos pralaidumo funkcijas sieja itin glaudus tarpusavio ryšys.
 
Po nuoseklių mūsų tyrinėjimų, kurių rezultatus moksliniame straipsnyje ir publikuoja žurnalas „Scientific reports",  įrodėme, kad paveikus impulsiniu elektriniu lauku, padidėjęs mielių ląstelės membranos ir sienelės pralaidumas -  atsistato per tą patį laiką,  t. y., per 24 sekundes.
 
Tai unikalūs tyrimų rezultatai demonstruojantys vieningą dviejų skirtingų ląstelės sistemų veikimą.
 
- Kaip paprasčiau paaiškintumėte, kas vyksta ląstelėje šių procesų metu? Kodėl jūsų  tyrimų rezultatai vadinami unikaliais?
 
Eksperimentų metu tyrinėjome modelinio organizmo - kepimo mielių ląstelių sienelės ir membranos pralaidumo atsistatymą po impulsinio elektrinio lauko poveikio. Įprastai ląstelė įsivaizduojama tarsi modelinis objektas: jos sienelė – tai kietas „kiautas“, tarsi kiaušinio lukštas, mechaninė apsauga, palaikanti ląstelės formą, tūrį, dydį ir pan. Tuo tarpu ląstelės membrana iki šiol buvo traktuojama kaip atskira sistema, mažai sąveikaujanti su sienele. Paveikus ląstelę impulsiniu elektriniu lauku, membranoje atsiveria tam tikros poros ir ji tampa laidi vandeniui, jonams ar stambiamolekuliniams dariniams, kuriems sienelė yra laidi.

Žinojome, kad praėjus kuriam laikui  - membrana vėl užsiveria, atsistato jos pirminės barjerinės funkcijos. Tačiau, iki šiol mokslas neturėjo žinių, kokie atsistatymo procesai po elektrinio lauko poveikio įvyksta sienelėje.

„Scientific reports" publikuoto FTMC mokslinio straipsnio „The link between yeast cell wall porosity and plasma membrane permeability after PEF treatment” eksperimentų metu, membranos pralaidumo procesus, naudodamas fluorescencinę medžiagą (SYTOX), tyrinėjo FTMC doktorantas Povilas Šimonis. Jis taip pat optimizavo metodiką ir rinko duomenis.

Tuo tarpu FTMC dr. Raimonda Celiešiūtė-Germanienė tyrė mielių ląstelės sienelės laidumą, kaip atrankos žymenį naudodama tetrafenil fosfonio joną. Paveikus elektriniais impulsais, šie jonai patenka į ląstelės vidų, jų koncentracija išorėje  - sumažėja. Taip, vertindami koncentraciją, galime išmatuoti ląstelės sienelės, vadinamosios išorinės dangos, pralaidumą.

 
Būtent šių dviejų krypčių tyrinėjimų metu užfiksavome mokslinius faktus, išskiriančius mūsų darbą iš kitų mokslinių darbų apie sienelėje vykstančius procesus. Dr. R. Celiešiūtė - Germanienė nustatė, kad sienelė itin glaudžiai sąveikauja kartu su membrana: paveikus impulsiniu elektriniu lauku poros mielių ląstelės sienelėje – irgi užsidaro. Membranos atsistatymas yra susijęs su panašiais mechanizmais sienelėje, ir atvirkščiai. Kitaip tariant, mažėjant mielių ląstelės membranos pralaidumui, atsistatant membranos savybėms, analogiški pralaidumo atsistatymo procesai įvyksta ir sienelėje.

Tai – esminis šio mokslinio darbo akcentas ir svarbiausias mūsų komandos mokslinis pasiekimas. Todėl mūsų darbas išsiskiria iš visų kitų, pasaulyje iki šiol atliktų ląstelės sienelės mechanizmų mokslo tiriamųjų darbų. Juolab, kad iki šiol tarptautinėje erdvėje neteko skaityti jokių tiriamųjų straipsnių, kuriuose būtų fiksuojami šie procesai, ypač dirbant su elektriniu impulsiniu lauku.
 
- Kodėl svarbu paminėti, kad, vertinant šių dviejų sistemų – ląstelės ir sienelės  - sąveiką, labai svarbus ir laiko aspektas?

Laiko tarpas, per kurį užsidaro membrana ir per kurį užsidaro sienelė, yra dar vienas šių tyrimų metu mūsų komandos užfiksuotas naujas ir svarbus parametras. Prof. S. Balevičiaus sukurtas matematinis modelis kiekybiškai aprašė abiejose sistemose vykstančius atsistatymo procesus, trunkančius lygiai tiek pat -  po 24 sekundes. Vadinasi, tai patvirtina, kad sienelės ir membranos mechanizmai yra tarpusavyje labai susiję. Beje, mokslinių darbų, tiriančių mielių sienelės atsistatymo trukmę, taip pat iki šiol tarptautiniuose leidiniuose neteko skaityti.

Tad šis mokslinis darbas kardinaliai keičia fundamentinį mokslinį požiūrį į ląstelės ir membranos sistemų tarpusavio ryšį.
 
- Kuo yra naudingi šie jūsų komandos moksliniai atradimai visuomenei, kokiose srityse juos galima pritaikyti? 

Žinodami, kad membranos pralaidumas susijęs su sienelės pralaidumu, ir atvirkščiai, galime palaikyti sienelės pralaidumą nenužudydami ląstelių.  Tikėtina, kad tai leis įvesti kitas molekules į ląstelę arba jas ištraukti, šie procesai taps labiau kontroliuojamai. Suprasdami ląstelių atsistatymo mechanizmus – galėsime kurti tikslines, reikalingas sistemas.

Pabrėžiu, kad šie mūsų tyrimai – fundamentiniai, pritaikymas nėra išsamiai tyrinėtas. Tačiau tai pagrindas bioelektrinių reiškinių tyrimams. Elektroporacijos žinios reikalingos ir naudojamos beveik visose biomedicinos srityse, maisto pramonėje ir kitur.

Pavyzdžiui, šiuo metu atliekame bendrus mielių gaminamų baltymų tyrimus su biotechnologais, bandome įgyvendinti vadinamąją „melžimo“ technologiją. Kadangi jau žinome sienelės ir  membranos atsistatymo laiką, siekiame „ištraukti“ reikalingą baltymą ir kad ląstelė liktų gyva ir toliau sėkmingai funkcionuotų, gamindama tuos pačius baltymus.

Naujos žinios apie mielių membranos ir sienelės tarpusavio sąveikos mechanizmus taip pat padės medicinoje spręsti itin aktualią pasaulinę mikroorganizmų atsparumo antibiotikams problemą. Tarkime, vadinami mieliagrybiai Candida albicans  - yra opurtunistinis žmogaus žarnyno mikrofloros miroorganizmas. Tačiau tam tikrai atvejais sukelia daug sudėtingų infekcinių ligų - kandidozių, nusinešančių dešimtys tūkstančių gyvybių kasmet ir yra vieni iš atsparesnių antibiotikams mikroorganizmų. Pritaikius mūsų komandos mokslinių tyrinėjimų metu gautus rezultatus, galima rasti efektyvių būdų mieliagrybių sukeltų ligų gydymui.

Elektroporacijos procesai gali būti taikomi ten, kur neveikia kitos technologijos: padėti išspręsti daug maisto saugos problemų - pasterizacijos, maisto saugos, higienos ir kt. Taip galime atpiginti, supaprastinti daugelį procesų ir sumažinti tiek maisto medžiagų, tiek energines sąnaudas, pasiūlyti daug naujų technologinių galimybių ateities maisto pramonėje ir kitose srityse.
 
- Įdomu, kiek laiko užtrukote nuo šios mokslinės idėjos iki galutinio rezultato, patvirtinto eksperimentais? Kas buvo sudėtingiausia viso tyrinėjimo proceso metu?

Visuomet sunku ir gal net neįmanoma pasakyti, kada mokslininkams tiksliai kilo viena ar kita mintis, nes viena yra atlikti eksperimentą,  o visai kas kita  - jam ruoštis, kaupti reikiamas žinias. Tai dažniausiai yra ilgas procesas. Galima sakyti, šio konkretaus darbo idėja gimė dar mano disertacijos metu, tad visas „rezultatų kristalizacijos“ procesas truko mažiausiai penkerius metus. Keli pirminiai tiriamieji darbai buvo pradėti dar anksčiau. Galutinis suvokimas ir pati „grynoji“ idėja tapo išvystyta per pastaruosius metus.

 
O sudėtingiausias procesas, mano vertinimu, buvo komandos narių tarpusavio komunikacija. Reikia suprasti, kad šiame moksliniame darbe, kūrybiniame procese dalyvavo labai daug skirtingų sričių profesionalų: biologai, fizikai ir chemikai. Tai  - didžiulė komanda ir, patikėkite, jiems reikia nemažai laiko susikalbėti. Tarpdisciplininė komanda yra iššūkis visiems. Džiaugiuosi, kad mes vis tik susikalbėjome. Ir pirmieji tarptautiniu mastu pasiekėme puikiai įvertintų rezultatų.
 
- Kokiems naujiems tyrinėjimams įkvepia šie rezultatai? Kokius planuojate tęstinius mokslinius šios srities darbus?

Galbūt dar anksti teigti, kad tokie pat procesai vyksta yra kituose mikroorganizmuose, bet tikrai šią hipotezę tikrinsime, tirdami procesus kitose mikroorganizmuose, pvz., dumbliuose ir kitur. Tikime, kad tokie pat užfiksuoti dėsningumai vyraus ir kituose organizmuose.

Kitas, svarbesnis procesas, kuris intriguoja ir kurį jau pradėjome su komanda  - tai nustatytojo sienelės ir membranos ryšio mechanizmų tyrinėjimai. Ląstelės sienelės permeabilizacijos ir atsistatymo mechanizmų pasaulis dar neištyrė. Tad mūsų laukia įdomus mokslinis kelias, daug eksperimentų ir naujų, visuomenei reikalingų atradimų. Šįkart paskelbta mūsų komandos mokslinė publikacija, eksperimentiniai tyrimai, apibrėžia tam tikras visos sistemos suvokimo, tarpusavio ryšio gaires. Ir tai – be galo svarbu.
 
 
„Scientific Reports” yra 6-tas multidisciplininis žurnalas pagal cituojamumą pasaulyje, priklausantis  „Nature” žurnalų grupei (šaltinis - Scimago Journal & Country Rank).