Ludzie od tysięcy lat marzą o wiecznej młodości i długim, zdrowym życiu. Z pomocą może przyjść nowoczesna biotechnologia i genetyka, ale przede wszystkim... natura. W toku ewolucji powstały bowiem mechanizmy unikania starzenia się, chorób takich jak rak, a nawet umierania! Pozostaje nam tylko jedno: należy je skopiować.
Spis treści
Prawie nagi i pomarszczony golec piaskowy mógłby śmiało startować w konkursie na najbrzydsze zwierzę świata. Ten zamieszkujący pustynne obszary Afryki Wschodniej gryzoń całe życie spędza pod ziemią, gdzie buduje rozległe korytarze i jamy. Mimo że jest ssakiem, tworzy kolonie podobne do tych pszczelich czy mrówczych.
Takie grupy mogą liczyć do 300 osobników, lecz w stadzie rozmnaża się tylko królowa spółkująca z kilkoma wybranymi samcami. Reszta populacji to powstrzymujący się od rozrodu kopacze, nieliczni żołnierze, głównie zaś robotnice i robotnicy, nieustannie przemierzający wydrążone tunele w poszukiwaniu bulw i korzonków. Ale to dopiero początek kuriozów związanych z tym gatunkiem.
Ich biologia bowiem zaskakuje – i daje nadzieję na wytworzenie eliksiru młodości. Zacznijmy od tego, iż golce nie odczuwają bólu. W ogóle. Jest to spowodowane brakiem w ich organizmie neuroprzekaźnika o nazwie substancja P. Posiadają również dużą odporność na niedobór tlenu. Badania pokazały, że potrafią przeżyć sześć godzin w atmosferze o zaledwie pięcioprocentowej zawartości tego pierwiastka, a w takiej, w której nie ma go w ogóle – nawet kilkanaście minut!
Ich hemoglobina, czerwony barwnik krwi, lepiej nasyca się cząsteczkami O2, zaś w warunkach ekstremalnego niedotlenienia znajdują nowe źródło energii – przestawiają się na beztlenowe spalanie fruktozy dokładnie tak, jak czynią to... rośliny. "Golce przeprogramowały podstawy metabolizmu, żeby zyskać supertolerancję na niską zawartość tlenu", tłumaczy prof. Thomas Park z Uniwersytetu Illinois w Chicago, który już od wielu lat zajmuje się tymi stworzeniami.
Naukowcy uważają, iż w przyszłości może się udać aktywowanie takiego kryzysowego mechanizmu "zasilania fruktozą" u ludzi. Dałoby to więcej czasu na pomoc osobom z zawałami czy udarami, u których następuje szybkie uszkodzenie tkanek w wyniku niedotlenienia. Jeszcze ciekawsza jest odporność golców na choroby nowotworowe, na które praktycznie nie zapadają – wykryto zaledwie dwa przypadki na tysiące przebadanych osobników. Nawet infekowanie ich wirusem wywołującym raka wśród myszy niczego tu nie zmieniło.
Wskazuje się wiele powodów takiego stanu rzeczy, m.in. nietypową budowę kwasu hialuronowego, którego cząsteczka jest u tych zwierząt pięć razy dłuższa niż u ludzi. Badacze zauważyli, że zaopatrzone w niego komórki "nie lubiły" zagęszczenia, a gdy przekraczało ono pewną wartość, zatrzymywały swój wzrost lub obumierały. Pozbawione kwasu hialuronowego, tworzyły ciasne grupki znacznie bardziej podatne na raka.
Golce żyją 30 lat. Krótko? W świecie gryzoni to wiek prawdziwie matuzalemowy! Rzadko które potrafią przetrwać dłużej niż dekadę. Co więcej, wśród golców najstarsza jest rozmnażająca się bez przerwy królowa, choć powszechnie w środowisku biologów panuje przekonanie, iż duża liczba potomstwa znacznie skraca czas życia matki.
Inna, wydawałoby się, niepodważalna zasada, do której golce uparcie nie chcą się stosować, to prawo umieralności Makehama-Gompertza mówiące, że ryzyko śmierci wraz z wiekiem rośnie wykładniczo. Ta doskonale udokumentowana zależność sprawdza się u wszystkich ssaków, ale nie u nich. Niezależnie od tego, ile mają lat, ryzyko śmierci naturalnej jest w ich przypadku mniej więcej takie samo. "Jest to sprzeczne ze wszystkim, co wiemy na temat biologii ssaków", podsumowuje specjalizująca się w badaniach nad długowiecznością dr Rochelle Buffenstein.
Istnieją przynajmniej dwie hipotezy tłumaczące ten fenomen. Pierwsza z nich zakłada bardzo aktywny mechanizm naprawy DNA i zminimalizowania w ten sposób skutków stresu oksydacyjnego. Druga wskazuje na ich niezwykły, w wielu sytuacjach mocno spowolniony metabolizm. "Przeżywają życie fazami" – konkluduje inny ich badacz, prof. Stan Braude z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Saint Louis.
Być może więc golce nie tyle się nie starzeją, co czynią to bardzo wolno. Choć wciąż daleko nam do znalezienia sposobu, jak ten proces przenieść na ludzi, to naukowcy się nie poddają. Od lat analizują genom tego niesamowitego gryzonia.
Golce pustynne są przez całe życie odporne na krótkotrwały brak tlenu dzięki wysokiemu stężeniu występujących w mózgu receptorów GluN2D. Podobną cechą mogą się pochwalić noworodki myszy oraz szczurów, ale w ich przypadku mija to wraz z wiekiem. Naukowcy uważają, że mózg tych pierwszych gryzoni po prostu zatrzymuje się w rozwoju.
Biotechnologia coraz chętniej sięga do zasobów przyrody, szukając specyficznych genów lub substancji u gatunków znanych z niezwykłej żywotności. Dotyczy to zarówno zwierząt, mikroorganizmów, jak i… roślin. Bardzo istotne wydają się badania nad enzymem telomerazy przeprowadzane m.in. w przypadku żyjącej nawet kilka tysięcy lat sosny długowiecznej.
Telomeraza ma moc "resetowania" zegara biologicznego w komórce. Rozszyfrowanie mechanizmów rządzących działaniem tego enzymu pozwoliłoby także poznać czynniki związane ze starzeniem się tkanek czy powstawaniem nowotworów.
Zwierzęta ekstremalne, takie jak golec, już wkrótce mogą pomóc nam w walce ze starością i chorobami. Naukowcy pracują nad różnymi sposobami wykorzystania ich niezwykłych cech. Specjalne medykamenty będą miały na celu aktywowanie u ludzi genów stanowiących odpowiednik pożądanych genów zwierząt ekstremalnych. W tym przypadku po prostu "podkręcimy" własne DNA.
Przy użyciu metod inżynierii genetycznej będzie się dało zaopatrzyć wyizolowane komórki lub bakterie w DNA zwierząt ekstremalnych. Umożliwi to produkcję pożądanych molekuł, które następnie wykorzystamy w różnego rodzaju terapiach.
Inżynieria genetyczna pozwoli stworzyć specjalne ludzkie komórki macierzyste, wykorzystujące geny pochodzące od zwierząt ekstremalnych. Zaopatrzymy je np. w mechanizmy zapobiegania rakowaceniu, podobne do tych występujących u wala grenlandzkiego.
Terapia genowa umożliwi bezpośrednie wprowadzenie odpowiednich genów pochodzących od zwierząt ekstremalnych do ludzkich komórek. Tak zmodyfikowane tkanki będą bardziej odporne np. na choroby nowotworowe.
Mimo rozmiarów od 0,05 do 1,5 mm niesporczaki zrobiły w świecie nauki wielką karierę. Nietypowy, odrobinę "pluszakowy" wygląd tych stworzeń, a przede wszystkim niesamowite zdolności przetrwania w ekstremalnych warunkach sprawiły, iż stały się przedmiotem bacznych obserwacji. Nic dziwnego. Radzą sobie z temperaturami –272°C, ale również takimi dochodzącymi do 150°C.
Niestraszne im promieniowanie kosmiczne czy niskie lub wysokie ciśnienie (w trakcie eksperymentów niektóre gatunki przeżyły przy ciśnieniu sześć razy większym od panującego na dnie Rowu Mariańskiego!). Potrafią nawet przez kilkadziesiąt lat przetrwać skrajny niedobór wody, zapadając w stan krańcowego obniżenia aktywności życiowej znany jako anabioza. Ich metabolizm zwalnia wówczas do zaledwie jednej dziesiątej promila normalnej aktywności.
Naukowcy przypuszczają, iż w naturze są one swego rodzaju "komandosami", sprawdzającymi nowe, nieprzyjazne środowiska, zanim inne, mniej odporne gatunki zaczną je kolonizować. Jednak dla medycyny ważniejsze niż ekologiczne znaczenie niesporczaków jest pytanie – jak to możliwe, że są aż tak wytrzymałe i czy dałoby się to wykorzystać z pożytkiem dla ludzi?
Pod lupę badaczy dostały się specjalne białka odkryte w 2017 roku w organizmach tych niezwykłych stworzeń. Pomagają one niesporczakom w ochronie komórek, kiedy te mikroskopijne zwierzęta przebywają w stanie anabiozy. Naukowcy liczą, że synteza tego typu protein i ich zastosowanie w przypadku Homo sapiens mogłoby wstrzymywać procesy starzenia się oraz opóźnić śmierć. Doktor Roger Larken Chang uważa, iż wspomniane białka tworzą rodzaj biologicznego szkła, czyli cieczy o bardzo dużej lepkości, unieruchamiającej w krytycznych momentach wszystkie części komórki.
Opracowano nawet specjalny algorytm, który może ułatwić zrozumienie sposobu ich działania i przyczynić się do ich zaprojektowania w laboratorium. Testy postanowiło wesprzeć swoimi funduszami amerykańskie wojsko, licząc, że te niezwykłe proteiny mogłyby pomóc zachować przy życiu ciężko rannych żołnierzy. "Istnieje też wiele innych potencjalnych zastosowań, w tym konserwacja bez chłodzenia leków na bazie białka, jajeczek do zapłodnienia in vitro albo organów do przeszczepów. W bardzo odległej przyszłości będzie można nawet w ten sposób zachować całe żywe ciała, co byłoby przydatne w przypadku podróży kosmicznych lub sytuacji awaryjnych", podsumowuje dr Chang. Czyżby więc wyprawa do sąsiedniej galaktyki mogła stać się możliwa właśnie dzięki mikroskopijnym niesporczakom?
Niebywała odporność przyniosła niesporczakom sukces ewolucyjny. Występują od biegunów po równik, w gorących źródłach i głębinach oceanów, a nawet na szczytach Himalajów oraz w pokładach soli. Już od kilkunastu lat agencje kosmiczne prowadzą badania nad niesporczakami. Podczas misji BIOPAN umieszczono znajdujące się w stanie anabiozy stworzenia w międzyplanetarnej próżni, narażając je w ten sposób na temperatury poniżej –200°C oraz wysokie dawki promieniowania.
Zniosły to bez szwanku, a naukowcy uważają, że poradziłyby sobie także w marsjańskiej atmosferze. Być może niesporczaki i inne superodporne organizmy, takie jak wrotki czy sinice, mogłyby stworzyć na Czerwonej Planecie prosty ekosystem, zanim osiedliliby się tam ludzie. Co więcej, zdaniem prof. Christophera Masona, biofizyka z Uniwersytetu Cornella w Nowym Jorku, sposobem na uchronienie przyszłych astronautów w trakcie długich podróży między gwiazdy może być wprowadzenie do DNA człowieka genów tych nieziemsko wytrzymałych stworzeń.
Pokonanie hydry lernejskiej, potwora, któremu cały czas odrastały ucięte głowy, stanowiło dla mitycznego Heraklesa nie lada wyzwanie. Podobnie niezwykłe możliwości regeneracyjne mają nazwane na jej cześć bezkręgowce z gromady stułbiopławów. Nic dziwnego, iż szybko znalazły się na celowniku uczonych. Prowadzone przez wiele lat testy wykazały, że ciała tych zwierząt praktycznie się nie starzeją.
Daniel Martinez, profesor z Pomona College w Kalifornii, badał hydry (stułbie) regularnie przez ponad cztery lata. W publikacji z 1998 roku, która odbiła się szerokim echem w świecie nauki, wykazał, iż nie ma żadnych dowodów, że stułbie ulegają procesowi starzenia się. Ich śmiertelność utrzymywała się na bardzo niskim poziomie i była efektem warunków środowiskowych, a nie wieku.
Okazuje się, iż ich organizmy składają się w głównej mierze z komórek macierzystych posiadających zdolność do ciągłego dzielenia się i w razie potrzeby odnawiania utraconych części. Eksperyment prof. Martineza powtórzono w 2015 roku we współpracy z niemieckimi specjalistami. Tym razem obserwacja trwała aż osiem lat i przebadano 2256 osobników w różnym wieku, lecz wnioski były identyczne jak 17 lat wcześniej. "Uważam, że pojedyncza hydra we właściwych warunkach może żyć wiecznie", podsumował prof. Martinez.
Aby znaleźć punkt wspólny między stułbiami i ludźmi, naukowcy zaczęli szukać sposobu na postarzenie tego "wiecznie młodego" stworzenia. Odpowiedź okazała się równie zaskakująca, co obiecująca. W organizmie hydry udało się spowolnić produkcję komórek macierzystych poprzez manipulację genu znanego jako FOXO. To bardzo obiecujący trop – już od kilkunastu lat wiadomo, iż pewien szczególny wariant genu FOXO3 znacznie częściej niż w przeciętnej populacji występuje u osób, które przekroczyły 100 lat. Eksperymenty na hydrach potwierdzają przypuszczenie, że odkryliśmy właśnie gen mający istotny wpływ na procesy starzenia się!
Dzięki genowi FOXO hydra się właściwie nie starzeje. Kiedy genetycy usunęli tę cegiełkę z DNA stułbiopławów, zaczęły one zapadać na liczne choroby. Mimo to nie zwiększyła się ich śmiertelność. A to każe przypuszczać, że oprócz genu FOXO jeszcze inne czynniki chronią hydry przed umieraniem.
Tylko 30% ludzkiej populacji posiada "specjalną" wersję genu FOXO3, zwiększającą szansę na dożycie setnych urodzin. Pozostali być może powinni jeść... astaksantynę. Wstępne badania pokazują, że ten występujący m.in. w glonach związek modyfikuje typowe FOXO3 do jego długowiecznego wariantu.
Za regenerację kończyn u salamander odpowiadają komórki tkanki łącznej, tzw. makrofagi. Aktywowanie identycznego mechanizmu u ludzi pozwoliłoby także na odbudowę organów, takich jak serce czy wątroba.
Eliksiru młodości szuka się jednak nie tylko wśród małych zwierząt. Równie ciekawe są odkrycia związane z wielorybem grenlandzkim. Ten najdłużej żyjący ssak, który osiąga wiek ponad 200 lat, cieszy się doskonałym zdrowiem. Unika chorób serca, raka oraz innych ciężkich dolegliwości. Przeprowadzona w Wielkiej Brytanii i USA szczegółowa analiza jego genomu pozwoliła znaleźć dwa allele – ERCC1 oraz PCNA – które w przypadku wala grenlandzkiego uległy specyficznej mutacji.
Geny te pomagają w naprawie DNA, zwiększają odporność na nowotwory, przede wszystkim jednak spowalniają procesy starzenia. Doktor João Pedro de Magalhães, szef brytyjskiej grupy naukowców, jest optymistą: "W trakcie ewolucji gatunki wykształciły różne „triki” przedłużające życie. Odkrywając te obecne u wali grenlandzkich, być może będziemy w stanie wykorzystać ową wiedzę do zwalczania u człowieka chorób związanych ze starzeniem się", wyjaśnia.
Początkowy projekt zakłada wszczepianie odpowiadających za długowieczność genów myszom, jednak w dalszych planach są testy na ludziach. Mikrobiolog liczy na to, że uda się je włączyć do pobranych od ochotników komórek, które następnie zostaną im ponownie implantowane. Okazuje się, że podobne sekwencje genetyczne co wal grenlandzki posiada golec piaskowy oraz najdłużej żyjący nietoperz: nocek Brandta.
Trochę inaczej wygląda to u innego giganta, a mianowicie słonia. Prosta zasada mówi, że im więcej komórek, tym większe ryzyko, iż któraś z nich stanie się zaczątkiem nowotworu. Jednak zarówno w przypadku wcześniej wspomnianego wieloryba grenlandzkiego, jak i największego lądowego ssaka reguła ta okazuje się nieprawdziwa.
W tym drugim przypadku chodzi jednak nie tyle o jakąś nową, biochemiczną jakość, ale o… ilość. A konkretniej o białko p53 pełniące w komórce rolę wewnętrznego mechanika. Gdy uszkodzenia DNA są niewielkie, przystępuje ono do jego naprawy, jeśli jednak istnieje ryzyko, że komórka zrakowacieje, p53 doprowadza do jej samobójstwa (apoptozy).
Ludzie posiadają zaledwie jeden gen odpowiedzialny za produkcję tego białka, natomiast słonie aż 20! Cały proces odbywa się także przy współudziale zmutowanego genu LIF6, który zostaje aktywowany przez białko p53, a następnie rozpoczyna produkcję protein niszczących uszkodzoną komórkę. W ten sposób organizm słoni minimalizuje ryzyko choroby, która jest jednym z głównych powodów przedwczesnej śmierci u wielu gatunków ssaków. Odkryto, iż połowa osób, które zapadają na raka, posiada zmutowaną, niewłaściwie działającą wersję p53.
Obecnie intensywnie pracuje się nad terapiami genetycznymi, które pozwoliłyby wprowadzać sprawnie funkcjonujące białko do komórek rakowych, co umożliwiłoby ich likwidację. W roli nośnika rozważa się użycie stworzonych w laboratorium wirusów, nanocząstek czy leków.
Jednym ze sposobów wieloryba grenlandzkiego na długowieczność jest białko UCP1. W niskich temperaturach dostarcza ono energii w zastępstwie metabolizmu. Czy to kolejny dowód na to, że zimno jest zdrowe?
Jedna z cech, którymi wyróżniają się długowieczne zwierzęta, w tym słonie, jest większa aktywność białka p53. Ta obecna również w ludzkim ciele proteina pełni szczególną rolę czynnika hamującego rozwój nowotworu. W razie konieczności aktywuje mechanizmy naprawy DNA, a w przypadku, gdy uszkodzenia są zbyt wielkie, uruchamia proces śmierci komórki.
W normalnych warunkach nie jest ona aktywna, choć każdego dnia w typowej "cegiełce" budującej nasz organizm dochodzić może nawet do miliona uszkodzeń wywołanych stresem komórkowym. Skomplikowane mechanizmy biochemiczne mogą włączać i wyłączać p53, zaś samo białko jest bardzo skuteczne w "pilnowaniu" genetycznego zdrowia komórki.
Stres komórkowy może mieć wiele przyczyn, takich jak wysokie temperatury, toksyny czy uszkodzenia mechaniczne. Komórka może być również poddana działaniu stresu oksydacyjnego. W takiej sytuacji organizm ma problem z zachowaniem równowagi między przyswajaniem wolnych rodników (będących produktem ubocznym przemiany materii) a ich neutralizacją. To wtedy aktywuje się białko p53 – strażnik komórki.
Białko p53 na różne sposoby chroni nas przed nowotworami. Jest w stanie pomóc w naprawie uszkodzonego DNA, rozpocząć proces zaprogramowanej śmierci rakowiejącej komórki czy też wstrzymać wzrost naczyń włosowatych, które mogłyby zasilać tkankę nowotworową. To dlatego ta niezwykła proteina jest nazywana strażnikiem genomu. Badania dowiodły, że połowa przypadków nowotworów wiąże się ze szkodliwą mutacją w genie p53.
Po raz pierwszy w historii ludzkości mamy narzędzia, żeby zrealizować odwieczne marzenie o długim życiu. Poszukiwania sposobu na pozbawioną chorób i późną starość prowadzi już od kilkunastu lat Unia Europejska w ramach projektu GEHA. Kroku dotrzymują jej Chiny, Japonia czy USA, a także... bogacze, którzy są skłonni zainwestować miliony, aby kupić sobie więcej czasu na wydawanie miliardów.
Wydaje się, iż przy takim wsparciu od sukcesu dzieli nas już tylko kilka kroków. Być może takich na miarę małych łapek golca pustynnego…
Specjalne białka chronią w trakcie snu zimowego mózg niedźwiedzia czy susła przed niedoborem tlenu. Z kolei proteina UCP1 zaopatruje organizm w ciepło podczas spowolnionego metabolizmu. Badania stanu hibernacji mogą przynieść korzyści nie tylko w kontekście podróży kosmicznych, ale i leczenia m.in. choroby Parkinsona czy też udarów.
