الشبكات الاجتماعيه لصناعة الكهرباء بخلايا الكائن الحي

الشبكات الاجتماعيه لصناعة الكهرباء بخلايا الكائن الحي

ايهاب محمد زايد-مصر

 الميتوكوندريا “الاجتماعية” ، الهمس بين الخلايا ، التأثير على الصحة

يبدو أن الميتوكوندريا تتواصل وتتعاون مع بعضها البعض ، داخل الخلايا وفيما بينها. علماء الأحياء بدأوا للتو في فهم كيف ولماذا.

 في هذا المقطع العرضي ذي الألوان الزائفة عبر خلية مبيض ، تظهر الميتوكوندريا كعضيات صفراء الحواف. تشير الدلائل إلى أن الميتوكوندريا ترسل إشارات لبعضها البعض وتعمل في شبكات منسقة.

 كانت الميتوكوندريا ، التي تم تصنيفها بصبغة الفلورسنت ، عبارة عن تمايل نيون تزحف عبر الجزء الداخلي المليء بالخلايا – تتمدد وتتقلص ، وتندمج معًا وتنقسم مرة أخرى ، وتنحرف إلى بعضها البعض وتنفصل عن بعضها البعض. ذكّر حماسهم الواضح للتواصل بيكار بالتبادلات الاجتماعية بين المخلوقات المعقدة مثل الأسماك والنمل. قال: “إنهم فقط يبدون أكثر بدائية”.

 الآن ، بعد سنوات من العمل في مختبره ومختبراته الأخرى التي أكدت على أهمية تفاعلات الميتوكوندريا الديناميكية ، يضغط على تلك المقارنة بشكل أكثر حرفيًا. في الآونة الأخيرة ، في مجلة Neuroscience & Biobehavioral Reviews ، جادل بيكارد ، عالِم بيولوجيا الميتوكوندريا في جامعة كولومبيا ، وعالمة الأعصاب كارمن ساندي من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان ، بأن الميتوكوندريا بحاجة إلى أن تُفهم على أنها أول عضيات اجتماعية معروفة.

 كدليل ، يستشهدون بسلسلة طويلة من الاكتشافات التي تُظهر أن الميتوكوندريا مترابطة بشكل مدهش وأن وظائفها تتجاوز دورها المألوف كمراكز قوة خلوية: تقوم الميتوكوندريا أيضًا بصنع أنواع معينة من الهرمونات ، وتساعد في دفع الاستجابات المناعية ، وتشكيل مصير نمو الخلايا. لتحقيق هذه الغايات المتنوعة ، مثل النمل في المستعمرة ، تقوم الميتوكوندريا بتقسيم المهام وتشكيل مجموعات ومزامنة الأنشطة والاستجابة لكل من بيئتهم وبعضهم البعض. كتب بيكار وساندي أن “العدسة الاجتماعية” قد تكون ضرورية ليس فقط لشرح سلوك الميتوكوندريا الفردية ، ولكن أيضًا للكشف عن مجموعات الميتوكوندريا التي تؤثر على صحة الإنسان.

 بإذن من مارتن بيكارد

 على الرغم من بعض التحفظات حول التسمية “اجتماعية” ، يتفق علماء آخرون عمومًا على أن فهم شبكات الإشارات الصاخبة التي تنشئها الميتوكوندريا داخل الخلايا وفيما بينها يمكن أن يساعد في كشف الأسرار المتعلقة بالصحة والمرض. قال جيمس إبيروين ، عالم الأحياء العصبية الجزيئية في جامعة بنسلفانيا ، “إذا فهمنا كيف تعمل الميتوكوندريا معًا ، وتعلمنا كيفية التعامل معها ، فسنكتسب الكثير من البصيرة في علم الأحياء.”

 لفهم كيف يمكن أن تكون عضيات مثل الميتوكوندريا اجتماعية ، من المفيد أن نتذكر أن الاجتماعية هي ظاهرة ذات جذور تطورية عميقة. تعد البكتيريا من أبسط الكائنات الحية ، ومع ذلك فهي تظهر سلوكيات مجتمعية ملحوظة ؛ يمكنهم العمل بشكل مستقل أو معًا ، والتواصل والتعاون لتشكيل هياكل معقدة.

 خلال ذروة الحياة أحادية الخلية منذ حوالي ملياري سنة ، كانت أسلاف الميتوكوندريا عبارة عن بكتيريا وجدت مكانًا مناسبًا داخل الخلايا الأكبر ، مما زودها بالطاقة. كان هذا التعايش مفيدًا جدًا لدرجة أنه من المحتمل أنه دعم تطور الكائنات متعددة الخلايا. باعتبارها من بقايا أصولها البكتيرية ، لا تزال الميتوكوندريا تحمل جينومها الصغير ، المنفصل عن الجينات الخلوية في النواة.

 ولكن على الرغم من أن جميع الميتوكوندريا لدينا موروثة من بيضة أمهاتنا ، فإن الميتوكوندريا الفردية تختلف على المستوى الجيني. تحتوي بعض الميتوكوندريا على عشرات النسخ من الجينوم ، في حين أن البعض الآخر يحتوي على نسخة واحدة فقط أو حتى لا شيء على الإطلاق. غالبًا ما تحمل الجينومات نفسها اختلافات جينية دقيقة. على الرغم من أن بعض الطفرات قد تتسبب في حدوث خلل وظيفي في الميتوكوندريا ويتم استبعادها ، إلا أن إيبروين يعتقد أن تنوعها الجيني بشكل عام هو أمر جيد يتيح سلوكيات أو وظائف مختلفة.

 حتى ما وراء المستوى الجيني ، فإن التنويع هو المفتاح لدور الميتوكوندريا. أثناء التطور الجنيني ، عندما تنقسم الخلايا وتتمايز ، تتكشف الميتوكوندريا الخاصة بها في مجموعة رائعة من التصميمات والوظائف. في حين أن جميع الميتوكوندريا لديها القدرة على توليد الطاقة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، فإنها تأخذ تخصصات أخرى في أنسجة مختلفة. في قشرة الغدة الكظرية ، على سبيل المثال ، يصنعون هرمون الكورتيزول. في الكبد يساعدون على إزالة سموم الأمونيا.

 ومع ذلك ، بقدر ما يمكن أن تبدو الميتوكوندريا ككيانات فردية ، فإنها أيضًا تختلط كثيرًا طوال دورة حياتها. لقد عرف العلماء على مدى عقود أن الميتوكوندريا تندمج – تدمج الأغشية في هياكل مفردة متفرعة – وتنقسم مرة أخرى إلى الأفراد عن طريق الانشطار. قالت جودي نوناري من جامعة كاليفورنيا ، ديفيس ، التي كان مختبرها رائد البحث في هذه الديناميكيات ، إن هاتين العمليتين في حالة تدفق مستمر ، اعتمادًا على حالة الخلية واحتياجاتها.

 يخدم ملتقى الميتوكوندريا أغراضًا متعددة ، يبدو أن أحدها على الأقل تعاوني. يمكن “إنقاذ” الميتوكوندريا المنفردة التي تفتقر إلى الجينوم أو التي بها خلل وظيفي عن طريق الاندماج مع الجيران الأصحاء. قال نوناري إن الهياكل المتصلة تخلق قناة لمشاركة الإشارات الكيميائية والبروتينات ، وقد يساعد الاندماج في تخصيص البروتينات بشكل متساوٍ أكثر بين الميتوكوندريا. لكن الاندماج لا يخلط كل شيء. قالت: “هذا مهم أيضًا – للحفاظ على القليل من الفردية حتى عندما تكون داخل شبكة”.

 الإشارات الكهرومغناطيسية؟

 أصبح من الواضح بشكل متزايد أن الميتوكوندريا لديها طرق للتفاعل بخلاف الاندماج. يمكنهم أيضًا نقل المواد إلى بعضها البعض من خلال أحداث “التقبيل والركض” الأقل التزامًا والتي تنضم فيها لفترة وجيزة إلى الأغشية ، أو من خلال نتوءات طويلة تسمى الأنفاق النانوية ، والتي توجد في بعض الخلايا حيث تكون الميتوكوندريا أقل حركة.

 بصفته باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر دوغلاس والاس في مستشفى الأطفال في فيلادلفيا في عام 2015 ، اكتشف بيكارد وزملاؤه طريقة اتصال أخرى مثيرة للفضول. في خلايا الثدييات ، في المواقع التي تتلامس فيها الميتوكوندريا ، يمكنهم تكوين روابط عبر محاذاة أعرافهم ، طيات الغشاء الداخلي الداكن التي تشبه علامات الشواء في الصور المجهرية. لكي يحدث هذا النوع من المحاذاة ، يجب أن تنقل الميتوكوندريا إشارات إلى بعضها البعض حول موضع أعرافها وإعادة تنظيمها وفقًا لذلك.

.

 قال بيكارد إن أفضل تخمين لديه “هو أن هناك نوعًا من الإشارات الكهرومغناطيسية التي يتم نقلها”. في طيات الأغشية الداخلية تلك ، تُستخدم الجزيئات المشتقة من الطعام لضخ الأيونات المشحونة عبر الغشاء ، مما يخلق إمكانات غشاء تبلغ حوالي 180 مللي فولت. تُستخدم القوة الناتجة من الأيونات المندفعة للخلف عبر الغشاء لمعادلة الفرق لتوليد ATP. كما أنه يولد تيارًا كهربائيًا ومجالًا مغناطيسيًا مصاحبًا له. إذا تم بالفعل نقل إشارة كهرومغناطيسية بين الميتوكوندريا ، فستنتشر هذه الإشارة بشكل أسرع من الإشارات الكيميائية التي تحدث بين العضيات. ما إذا كانت هذه السرعة الإضافية لها أهمية وظيفية غير معروف حتى الآن.

 ربما لم يستنفد الباحثون نطاق التفاعلات المراد اكتشافها. قال برايان أورورك ، أخصائي فيزيولوجيا القلب في جونز هوبكنز ميديسن: “نحن فقط في بداية محاولة فهم كيفية تواصل الميتوكوندريا مع بعضها البعض”.

 هناك لغز آخر يحيط بالضبط بما يفعله هذا التواصل. تقترح ناتالي بورات-شليوم ، عالمة الأحياء الخلوية في المعهد الوطني للسرطان ، أن إحدى الإجابات العامة هي أن هذه السلوكيات الاجتماعية تحسن كفاءة الكائن الحي بأكمله. وقالت: “الشعور هو أن جميع هذه الاستجابات يتم ضبطها نحو تحسين التمثيل الغذائي وتحسين الوظيفة”.

 إيجابيات وسلبيات التزامن

 في بعض الحالات ، على سبيل المثال ، قد تقوم ثرثرة الميتوكوندريا بمزامنة إنتاج الطاقة عبر الخلايا التي تعمل معًا. قبل بضع سنوات ، كانت بورات-شليوم وزملاؤها يدرسون الخلايا الأسينية للغدد اللعابية ، التي تعمل بالتنسيق لإفراز اللعاب. بالنظر إلى خلايا الغدد اللعابية للفئران المخدرة ، لاحظ الفريق أن تزامن الخلايا الأسينار امتد إلى الميتوكوندريا الخاصة بهم: في كثير من الحالات ، كانت إمكانات غشاء الميتوكوندريا ترتفع وتنخفض معًا كل 12 ثانية تقريبًا ، حتى عندما تكون الخلايا ”. ر إفراز.

 يعتقد بورات-شليوم أن الميتوكوندريا تنقل الجزيئات قصيرة العمر لبعضها البعض لتزاوج التذبذبات عبر الخلايا. يمكن أن يساعد ذلك في تنسيق دفعات من الطاقة لإفراز اللعاب عندما يُطلب منك ذلك – “لجعل جميع الخلايا تستجيب في نفس الوقت وبالقدر المناسب” ، على حد قولها.

 رصدت مجموعات أخرى تذبذبات متزامنة مماثلة – تسمى أحيانًا ومضات – في أنواع الخلايا الأخرى. لكن هذه الظاهرة ليست عالمية ، أضافت بورات-شلوم: بعض الخلايا ، مثل تلك الموجودة في الكبد ، لا تقوم بمزامنة التمثيل الغذائي بنفس الطريقة ، ربما لأنها تؤدي وظائف مختلفة.

 فيديو لميتوكوندريا ملطخة تتحرك داخل الخلايا.

 في هذه الخلايا الملطخة ، تظهر الميتوكوندريا باللون الأرجواني وتكون النوى صفراء. يمكن تمييز مجموعتين من الميتوكوندريا من خلال سلوكهما: تبقى الميتوكوندريا بالقرب من أغشية الخلايا في مكانها في الغالب ؛ الميتوكوندريا المتمركزة مركزيا أكثر حركية.

 في الواقع ، قد لا تكون المزامنة دائمًا أمرًا جيدًا ، كما أشار أورورك. لسنوات ، درس مختبره التذبذبات المقترنة بين الميتوكوندريا التي تعمل على تقلصات خلايا عضلة القلب (عضلة القلب). عندما قام هو وزملاؤه بتحفيز بقع صغيرة من الميتوكوندريا في خلايا عضلة القلب المعزولة باستخدام الليزر ، بدأت معظم الميتوكوندريا عبر الخلايا العملاقة في النهاية في التأرجح جنبًا إلى جنب.

 يرى أورورك هذا الاقتران على أنه استجابة ضغط مع عواقب وخيمة محتملة. تشير نتائج فريقه إلى أن النشاط المتزامن يمكنه أحيانًا كبح تقلصات الخلايا ، مما يعيق نقل الإشارات الكهربائية من خلية قلبية إلى أخرى ويعطل الاستجابات المنسقة في القلب. عندما نظروا إلى أنسجة قلب الحيوان ، رأوا أن التذبذبات المقترنة يمكن أن تسهم في عدم انتظام ضربات القلب التي يمكن أن تحدث عندما يتعافى القلب من انقطاع في إمداد الدم. على عكس خلايا الغدد اللعابية ، فإن التوليد النبضي لـ ATP لا معنى له في القلب ، كما قال أورورك ، لأن العضو لديه طلب مستمر على الطاقة ، سواء أثناء الانقباضات أو فيما بينها.

 بشكل عام ، هناك تقدير متزايد لتنوع الميتوكوندريا داخل الخلايا ، ولكن أيضًا لميلها نحو السلوك الجماعي. غالبًا ما تتجمع الميتوكوندريا في مجموعات أو تشكل مجموعات سكانية متميزة تتصرف بشكل مختلف و “يمكنها القيام بأشياء مختلفة في نفس الوقت” ، كما أشار نونو رايموندو ، عالِم بيولوجيا الخلية بجامعة غوتنغن في ألمانيا.

 غالبًا ما لاحظ علماء الأعصاب ، على سبيل المثال ، أن الميتوكوندريا تأخذ مظاهرًا مميزة في أجزاء مختلفة من المشهد العصبي. في وسط بعض أنواع الخلايا العصبية ، يمكن أن تشبه الميتوكوندريا كرات أو أنابيب الرجبي ؛ في التشعبات المغزلية التي تستقبل الإشارات الواردة من الخلايا العصبية الأخرى ، تشكل الميتوكوندريا شبكات طويلة ومتفرعة ؛ في مواقع الإشارات الصادرة في المحاور ، تبدو الميتوكوندريا أشبه بكرات التنس. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن هذه الأشكال تسمح للعضيات بتناول كميات مختلفة من الكالسيوم ، بما يتماشى مع الاحتياجات المتغيرة للأيون في جميع أنحاء الخلية.

 حتى التشبيه قوي

 بالنسبة لبيكارد وساندي ، فإن الأمثلة التي تم توثيقها مرارًا وتكرارًا للتنوع والتفاعل والتعاون الظاهر للعضيات تشير إلى وجود شبكات اجتماعية للميتوكوندريا في الكائنات الحية. وأضاف ساندي أن هذه الشبكات قد تمتد إلى ما وراء حدود الخلايا: يمكن أن يؤثر الكورتيزول الذي تصنعه الميتوكوندريا في الغدة الكظرية على الميتوكوندريا في مكان آخر ، مما يخلق وسيلة بعيدة المدى لتوصيل الإجهاد.

 بالنسبة لبيكارد ، الذي يدرس ، بصفته عالمًا في علم النفس في الميتوكوندريا ، كيف يشعر الإجهاد النفسي بنفسه على مستوى الميتوكوندريا – وما يمكن أن تكون العواقب الفسيولوجية لذلك – فإن التواصل الاجتماعي للعضيات هو أحد مكونات الترابط الأوسع للحياة. في جوهرها ، الاجتماعية تولد الاشتراكية: إن التواصل الاجتماعي للميتوكوندريا يسهل تعاون الخلايا ، والذي بدوره يسمح بتكوين الأعضاء التي تعتمد على بعضها البعض وخلق كائنات حية معقدة. قال بيكارد إن الطبيعة الاجتماعية للحيوانات هي امتداد للمجتمع الذي نراه في الدرجات الدنيا من السلم.

 ولكن حتى بعض العلماء المتحمسين لأهمية دراسة تفاعلات الميتوكوندريا ما زالوا يترددون في تصنيفها على أنها اجتماعية. قال نوناري: “هناك قوة في إجراء القياس ، لكن … أحاول ألا أجسد الميتوكوندريا.”

 يكمن جزء من المشكلة في أن الأوصاف مثل “اجتماعي” أو “تعاوني” تدل على درجة من الفاعلية تبدو غير ملائمة للعضيات. قال رايموندو: “ليس الأمر أنهم يريدون” أن يكونوا مجموعة أو لا يريدون “. “إنها فقط الطريقة التي تمت برمجتهم بها للتصرف”.

 ومع ذلك ، فقد اقترح أيضًا أن مشاهدة الميتوكوندريا كمشاركين في شيء مثل الشبكات الاجتماعية هو منظور مفيد. اتبع العلماء عادةً مناهج اختزالية لدراسة الميتوكوندريا – تشريح الجينات الفردية والبروتينات التي تقوم عليها بيولوجيتهم. قال رايموندو إن هذا البحث مهم لفهم صواميل ومسامير تفاعلات الميتوكوندريا ، لكن يجب زيادتها لمعالجة التفاعلات نفسها. قد يتطلب القيام بذلك أحيانًا معالجة الميتوكوندريا ككيانات تعالج المعلومات بشكل مستقل أثناء العمل عليها بشكل مشترك.

 القرائن على الصحة والمرض

 قال رايموندو إن هذه النظرة الشبكية للميتوكوندريا قد تكون أيضًا مهمة على نطاق واسع لدراسة الإشارات بين أنواع مختلفة من العضيات. من المعروف منذ عقود أن الميتوكوندريا لها علاقة حميمة بالنواة ، حيث توجد معظم جينات بروتينات الميتوكوندريا. ومع ذلك ، أصبح من الواضح أن الميتوكوندريا لها أيضًا تفاعلات عديدة مع العضيات الأخرى.

 تعطي دراسات شبكات الميتوكوندريا بالفعل رؤى حول بعض الأمراض. على سبيل المثال ، يشك بعض العلماء في أن التمثيل الغذائي الخاطئ للطاقة يلعب دورًا في مرض باركنسون ، ولكن حتى الآن ، لم يتم العثور على فرق واضح بين الميتوكوندريا العصبية للمرضى والأشخاص الأصحاء. لكن فريقًا بحثيًا بقيادة Feng He من معهد لوكسمبورغ للصحة وجه مؤخرًا جهاز كمبيوتر إلى تحليل مقاطع فيديو مجهرية تبلغ قيمتها 700 غيغابايت لخلايا عصبية في القناة الهضمية لمرضى مرض باركنسون. 

 حدد النظام ما يقرب من 20 ميزة تميز رياضيًا شبكات الميتوكوندريا في خلاياها من حيث كثافة العضيات ، والقرب من بعضها البعض ، والتفاعلات. وجدت الدراسة ، التي فحصت عددًا صغيرًا فقط من المرضى ، أن السمات يمكن أن تميز بشكل جماعي المرضى عن الأشخاص الأصحاء. بالنسبة له ، يبدو أن شبكات الميتوكوندريا في مرض باركنسون قد تكون أقل كفاءة ، وأن عدم الكفاءة هذا يمكن أن يساهم في المرض. وقال إنه من خلال التقاط طبقات من البيولوجيا تميل إلى أن تفوتها الأساليب الاختزالية ، فإن مثل هذه الدراسات الشبكية يمكن أن “تعيد تشكيل [فهمنا] لأنواع الخلايا المختلفة في أجسامنا”.

  https://www.quantamagazine.org/social-mitochondria-whispering-between-cells-influence-health-20210706/ا