H. M. McNamara et al., Phys. Rev. X 2016

مدارهای سلولی: امواج الکتریکی در حلقه‌ای درون مجموعه‌ای از سلول‌ها با ویژگی‌های الکتریکی و نوری مهندسی شده.

آن چه که ضربان قلب انسان می‌نامیم در حقیقت نتیجه‌ی سازوکاری است که در آن تپ‌‌های الکتریکی تولید و در بافت کاردیا پخش شده، و انقباضی آهنگین ایجاد می‌کنند.

تا پیش از این، سلول‌های دست‌ساز تنها برای تولید فعالیت الکتریکی آهنگین، مناسب بودند؛ اما امروز پژوهش‌گران می‌توانند با کمک گسیل‌های فلورسنت، حالت الکتریکی را با دقت بالایی بررسی کنند. این گروه، همچنین، سلول‌های‌ خود را در «مدارهای زنده» که مدلی برای مطالعه‌ی قلب می‌باشند، قرار داده‌اند.
برای داشتن سامانه‌ای «پاک» باید تنها با واحدهای بنیادین و مهندسی ژنتیک، بافت فعال الکتریکی ساخته و کاردیا را شبیه‌سازی نمود. با داشتن چنین دستگاه‌هایی می‌توان به عنوان نمونه، تپ‌های الکتریکی‌ای را که می‌توانند به نایک‌نواختی‌های کشنده‌ بی‌انجامند، مطالعه کرد. تا پیش از این، تنها روش برای «برانگیختن» الکتریکی بافت، افزودن گذرگاه‌‌های یونی ـ‌پروتئین‌هایی که تنها یون‌ها را از غشای یاخته عبور می‌دهند‌ـ بود [۱]. آدام ا. کوهن Adam E. Cohen از دانشگاه هاروارد، و همکاران، تصمیم گرفتند برای ساده سازی مشاهده و تنظیم میزان فعالیت الکتریکی، عناصر دیگری را نیز به سلول‌ها افزودند. آن‌‌ها چهار ترکیب ژنی دیگر به سلول‌های کلیوی رویانی انسانی (HEK)، وارد کردند: دو گذرگاه یونی ساده، یک گذرگاه یونی حساس به نور آبی (یک کلید نوری)، و یک پروتئین فلورسنس که حساسیت آن تابع ولتاژ در فضای میان غشای سلول میزبان می‌باشد.

پیش‌تر، بر فعال‌سازی نوری سلول‌هایی که از نظر الکتریکی برانگیخته می‌شوند، مطالعاتی انجام شده بود [۲]. اما کوهن و همکارانش، با کمک پروتئین فلورسنت، سازوکاری ساده و «بازخوانش‌پذیر» ابداع کرده و با الگویابی رفتارهای سلولی، این داده‌ها را به زبان «بافت‌های مداری» ترجمه کرده‌اند. این گروه، سلول‌ها را در ساختاری حلقه‌ای و تا قطر چند میلی‌متر رشد داده‌اند؛ این تجمع‌ها به شکل نوسان‌گر عمل کرده و می‌توانند امواج چرخشی حاصل از برانگیختگی‌های الکتریکی را دریابند. این امواج از رفتار تجمعی سلول‌ها نتیجه می‌شوند: تپی که یک سلول به راه می‌اندازد، سلول همسایه را بیدار کرده و نهایتا موج هم‌دوس برانگیختگی در میان بافت به حرکت در می‌آید. این هماهنگی اگر در چرخه‌ای تکرارپذیر از برانگیختگی‌ها و سکون‌ها اتفاق بی‌افتد، به فعالیت ضرب‌آهنگین در بافت کاردیایی می‌انجامد.

این سلول‌ها با نور آبی (غیر مرئی) روشن شده و حلقه‌های مسطتیلی انتشار میدان‌های الکتریکی را نشان می‌دهند. در زمان ۰۰:۰۷ مستطیل، به آهستگی، در راستای عمود، کوچک می‌شود و این گونه دوره تناوب به تدریج کاهش می‌یابد. (در آزمایشی که سلول‌ها در ساختارهای ثابت حلقه‌ای پرورش یافته بودند) حلقه‌ی سلول‌های HEK مهندسی شده، مانند یک «حلقه‌ی نوسان‌گر» الکتریکی (ابزاری با بسامد ویژه‌ی تپ الکتریکی چرخنده) عمل می‌کند.

از سوی دیگر امواج الکتریکی در حلقه‌ی نوسان‌گر می‌تواند در هر دو جهت به دور حلقه چرخیده و مانند یک واحد حافظه دوگانه عمل کند. کوهن و همکاران دریافتند که در بافت‌شان، امواج چرخشی تا ۲ ساعت پایدار می‌مانند و در هر ثانیه، تپ‌‌ها چند مدار را کامل می‌کنند. تپ‌ها الکتریکی، به سادگی و با کمک گسیل‌های فلورسنت، آشکار شدند.

پژوهش‌گران بر این باور هستند که می‌توان با کمک این بافت، سلول‌های کاردیایی حقیقی و به ویژه بی‌نظمی‌ها را مطالعه و پیش‌بینی کرد. کوهن می‌گوید: «در قلب واقعی، اگر بافت با سرعت به اندازه‌ی کافی بالا تحریک شود، شروع به تپش کرده و نهایتا ضرب‌آهنگ می‌یابد.» این حالت مقدمه‌ی شناخته‌شده‌ی مرگ کاردیایی، و مربوط به قطع امواج منظم معمولی (برانگیختگی‌های الکتریکی) می‌باشد. مصرف برخی داروها هم می‌تواند به بی‌نواختی بی‌انجامد؛ به گفته‌ی کوهن، با این روش تازه، می‌توان بسیار سریع از وجود چنین مشکلاتی آگاه شد.

گیل بوب (Gil Bub)، روان‌شناس از دانشگاه آکسفورد، در بریتانیا، می‌گوید: «این یافته‌ بسیار برجسته و شایان توجه است» ... «به ویژه برای افرادی که چون من به امواج پویا در سامانه‌های برانگیخته علاقه‌مند هستند، راه‌های تازه‌ای می‌گشاید».

ممکن است همچنین بتوان به پردازش اطلاعات در بافت زنده اندیشید. کوهن می‌گوید: «با ترکیب الگوهای رشد سلولی و الگوی کارکرد گذرگاه‌های یونی، می‌توان دیود، تقویت کننده و دیگر مدارهای منطقی را ساخت». آندرو آداماتزکی (Andrew Adamatzky)، متخصص در «محاسبات پیچیده»، از دانشگاه غرب انگلستان، در بریسول، چنین پیش‌بینی می‌کند که در آینده محاسبات در مدارهایی و با بررسی برهم‌نهش امواج الکتریکی انجام خواهد شد. او می‌گوید: «شاید با کمک این یافته‌ها بتوان رایانه‌های زیستی کاشتنی ساخت».

منبع:

biological cells form electrical circuits

مرجع:

Physical Review X.