Zagadkowe komórki. Co sprawia, że potrafią zmieniać kształt i się przemieszczać?

Maria Hawranek: Jakie komórki bada Pani w swoim laboratorium na Uniwersytecie w Cambridge?

Ewa Paluch: Przedmiotem moich badań jest kształt komórek, szczególnie różnorodność i zmienność tego kształtu. Jak komórki ewoluują? Jak zmieniają się w chorobie? Jakie znaczenie dla żyjącego organizmu mają ruchy komórek? Aby to zrozumieć, musimy połączyć wiedzę biologiczną z fizyką. 

W trakcie badań obserwujemy komórki zwierzęce o przeróżnych kształtach. Np. komórki macierzyste myszy, ale również zdrowe, dojrzałe komórki czy komórki rakowe. Te ostatnie mają tę zaletę, że można je unieśmiertelnić – hodować w laboratorium dowolnie długo, bo mogą się dzielić w nieskończoność. 

Istnieją rozmaite różnice między komórkami roślinnymi, zwierzęcymi, komórkami drożdży czy bakterii, ale jeśli chodzi o komórki zwierzęce – czyli również ludzkie – to one wszystkie są w miarę podobne, więc dla naszych badań podstawowych nie ma specjalnego znaczenia, od jakiego zwierzęcia pochodzą.

W naszym laboratorium badamy też tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste: są to komórki pochodzące z ludzkiej skóry, które zostały przetransformowane w komórki macierzyste, z których z kolei możemy stworzyć dowolny rodzaj komórek. Być może w przyszłości te komórki będzie można stosować w medycynie regeneracyjnej – na razie jesteśmy na etapie badań biologicznych.

Badamy też rozwój różnych organizmów – od muszek przez ryby aż po myszy – i hodujemy organoidy, czyli miniaturowe narządy wytworzone z komórek macierzystych. 

Czyli nie ma specjalnego znaczenia, czy biorę komórkę myszy, ptaka, czy człowieka, ale ma znaczenie to, z jakiej części ciała ta komórka pochodzi. Jak bardzo komórki różnią się między sobą?

Różnice między komórkami są ogromne i wynikają z funkcji, jakie pełnią. Wszystkie nasze komórki pochodzą z zapłodnionego jaja, które ma dość nudny, jajowaty kształt. Podczas rozwoju komórki się różnicują i nabierają ciekawszych kształtów. Np. jeśli spojrzymy na komórki ludzkiej skóry na poziomie mikroskopowym, przypominają bloczki upchnięte jeden obok drugiego, jak cegły, żeby chronić organizm. Więc kształt informuje nas o funkcji i stanie komórek. To jest podstawa histologii: gdy lekarze diagnozują choroby, np. nowotwory. W czasie biopsji pobierają próbkę i potem sprawdzają, czy komórki wyglądają normalnie, czy też ich kształt jest zmieniony, co wskazuje na chorobę.

Czy komórki różnią się też pomiędzy sobą, jeśli chodzi o sposób poruszania się?

Tak, szczególnie w sytuacjach, kiedy są niezdrowe. Większość tkanek posiada zdolność do samoleczenia – weźmy wspomniane komórki skórne, czyli nakładające się na siebie warstwy upchanych bloczków. Jeśli się pani skaleczy, komórki zaczną się poruszać i na siebie nakładać, tak by w efekcie zamknąć ranę. Komórki większości organów to potrafią – są plastyczne i mogą zmieniać swoje ułożenie w odpowiedzi na infekcję czy ranę. Nie mówiąc już o tym, że zmieniają się i poruszają przez całe nasze życie płodowe, formując organy. Jednak w dorosłym organizmie większość komórek jest raczej statyczna, poza tym, że zmieniają swój kształt w rytmie oddechu, obkurczając się lub rozszerzając, w miarę skurczu mięśni lub by zamykać rany. 

Z tego schematu wyłamują się komórki rakowe.

Co z nimi?

Mają o wiele większą zdolność przemieszczania się w organizmie niż inne – dlatego guzy rozsiewają się po innych częściach ciała. W ich przypadku następuje niekontrolowana zmiana kształtu i poruszania się, których efektem jest niebezpieczna choroba.

Wiemy, skąd wzięła się ta ich supermoc przemieszczania się i zmiany kształtu? Co za nią odpowiada?

To ogromne pole badawcze, a zagadnienie ma na pewno wiele aspektów. Nadal nie potrafimy zatrzymać rozwoju komórek rakowych. Wiele nowotworów zaczyna się w komórkach nabłonka, które wyznaczają granicę między tym, co na zewnątrz, i tym, co wewnątrz – na skórze, ale też pomiędzy organami, np. całe jelita czy też płuca są pokryte nabłonkiem. 

Pierwszy etap nowotworu polega na raptownym, niekontrolowanym dzieleniu się komórek, których kształty odbiegają od normy, tworzą gromady, a w efekcie mogą przekształcić się w guza. Kiedy już go utworzą, część komórek zaczyna migrować – tracą tę właściwość, która zwykle trzyma je razem.

Stają się za to bardziej plastyczne, mogą zaadaptować się do każdego miejsca, w którym wylądują, co właśnie czyni je tak niebezpiecznymi. To już rozumiemy. Jest wiele powodów, które pozwalają nam myśleć, że jeśli będziemy mogli wpływać na kształt tych komórek w kontrolowany sposób, będziemy mogli lepiej działać terapeutycznie.

Nie potrafimy jeszcze wpływać na ich kształt, bo nie rozumiemy mechanizmów, które za niego odpowiadają?

Dokładnie tak. Wciąż nie rozumiemy, jak komórki kontrolują swój kształt. Wydaje mi się, że ten brak zrozumienia wynika częściowo z tego, że nowoczesna biologia ma charakter bardzo molekularny – tworzymy katalogi cząsteczek, które występują w komórce, a to nic nam nie mówi o tym, jak komórka naprawdę wygląda. 

Aby się tego dowiedzieć, musimy znać podstawy mechaniki. Musimy zrozumieć, jak te cząsteczki generują siły, które z kolei kształtują komórkę. Zatem aby zrozumieć kształty, potrzebujemy jednocześnie i biologii, i fizyki. A od dawna kształcimy studentów albo na fizyków, albo na biologów.

Pani łączy obie te dyscypliny. W jednym z wywiadów powiedziała Pani, że w Instytucie Marii Curie w Paryżu na początku XXI w. miała przyjemność towarzyszyć rozwojowi biologii fizycznej jako dyscypliny.

To było wówczas kluczowe miejsce w Europie dla rozwoju biologii fizycznej komórek i tkanek. Oczywiście to nie był absolutny początek biofizyki – w latach 60. odniosła przecież ogromny sukces na poziomie białek, a niedługo później zaczęły się badania nad cząsteczkami budującymi szkielet komórkowy i jego ruchliwością. Ale dopiero od stosunkowo niedawna potrafimy opisywać w ten sposób całe komórki i tkanki. Wciąż jednak brakuje nam odpowiednich narzędzi do badań umożliwiających zrozumienie, jak komórki kontrolują swoje właściwości mechaniczne.

Jednak jakieś narzędzia udało się wypracować – chociażby w Pani laboratorium, gdzie łączy Pani fizykę z biologią, inżynierię z obrazowaniem ilościowym. 

Tak, pracujemy nad zbudowaniem pomostu, również współpracując z badaczami tworzącymi modele teoretyczne, pomocne np. w zrozumieniu podziału komórek, ich kontaktu, ruchu, wzrostu lub kurczenia się. Moje laboratorium założyłam w 2006 r. w Instytucie Maxa Plancka we współpracy z Międzynarodowym Instytutem Biologii Molekularnej i Komórkowej (IIMCB) w Warszawie. W 2013 r. przeniosłam laboratorium do Londynu, a pięć lat później – do Cambridge.

Nie wiedziałam, że laboratoria mogą się tak często przemieszczać.

Owszem! Instytut Maxa Plancka działa jak inkubator, młode grupy na ogół nie zostają w nim na zawsze. A świat akademicki jest bardzo międzynarodowy. Naukowczynie i naukowcy często zmieniają miejsca pracy z wielu powodów. W Londynie czułam się świetnie, ale jako że mój mąż – również naukowiec – pracował w Cambridge, postanowiłam się przenieść, by ułatwić nam życie rodzinne. 

Opowie Pani o swoim pierwszym wielkim odkryciu, dotyczącym pęcherzyków błonowych?

Te pęcherzyki – w języku angielskim określamy je jako blebs – to kuliste wypukłości wytwarzane przez komórki. Gdy zaczęłam się nimi interesować podczas doktoratu, sądzono, że powstają w sytuacji apoptozy, czyli naturalnej śmierci komórki. My w czasie badań doszliśmy do wniosku, że pęcherzyki są oznaką normalnego działania komórki i tworzą się pod wpływem ciśnienia, a komórki używają ich do tego, by się przemieszczać – nie tylko w momencie choroby, ale również w zdrowych sytuacjach. 

Jako że w nauce nic nie dzieje się w izolacji – wszyscy czytamy te same artykuły naukowe – to m.in. mój kolega Guillaume Charras doszedł do podobnych wniosków i dzięki temu zaczęliśmy współpracę, która trwa już 20 lat.

Tworzenie pęcherzyków to jedyny sposób poruszania się komórek?

Nie. Mogą stosować różne sposoby, wymiennie. W moim laboratorium chcemy pokazać, że komórki są plastyczne i mogą zmieniać się na wiele różnych sposobów. Głównie interesuje nas zrozumienie mechaniki migracji komórek, szczególnie w trzech wymiarach, czego do niedawna nie robiono. Jak skurcze i ciśnienie wewnątrz komórki mogą na nią wpływać? 

Jest Pani znana również z badań nad korą aktynową (ang. actin cortex). Co to takiego?

To struktura cytoszkieletowa, czyli należąca do szkieletu komórki, która podtrzymuje błonę komórkową od strony wnętrza komórki. Każda komórka ją ma, może z wyjątkiem tych miejsc, gdzie bardzo się do czegoś przykleja. Ta kora jest niezwykle ważna, bo to ona kontroluje mechanikę komórki i jej zdolność do wytrzymywania ciśnienia. Jeśli komórki by jej nie miały, ulegałyby zgnieceniu wewnątrz tkanek. Nasze laboratorium jest chyba najbardziej znane właśnie z badań kory aktynowej.

Ale to nie Pani zespół odkrył jej istnienie?

Nie, ale możemy powiedzieć, że sprawiliśmy, że znowu stała się modna. 

Od lat 50. wiemy o istnieniu pęcherzyków błonowych i kory aktynowej. Wówczas nie było jednak narzędzi, by obserwować cząsteczki, z których jest zbudowana, więc w miarę postępu technologicznego mogliśmy niejako ponownie odkryć ich znaczenie. 

Kora zapewnia komórkom ochronę, ale też możliwość wzrostu, deformacji, podziału na komórki i migracji. Powiedziałabym, że kora aktynowa stanowi fundament mechaniki komórkowej. Czy jest miękka? Czy sztywna? Lekarze chociażby używają tej charakterystyki, by określić stopień zaawansowania choroby w trakcie badania tkanek. 

My chcemy zrozumieć to wszystko na poziomie nanoskali, sieci polimerów, połączonych ze sobą tak mocno jak w gumce do zmazywania, tylko że nie statycznie, a w sposób aktywny, bo wszystko może się w tej korze rozciągnąć i skurczyć. Nowe technologie, np. mikroskopia superrozdzielcza, wreszcie pozwalają nam bezpośrednio obserwować takie nanoskalowe procesy.

Ta wiedza jest nam potrzebna, by zrozumieć komórki nie tylko jako wspomniany już katalog molekuł, ale również mieć pojęcie na temat architektury komórek i całych tkanek. To jest mój aktualny przedmiot badań.

A w dalszej przyszłości – jest coś konkretnego, co chciałaby Pani zrozumieć?

Chciałabym, żebyśmy dogłębnie zrozumieli, dlaczego komórki mają takie kształty, jakie mają. Opowiem o tym przez analogię. Badacze tacy jak Karol Linneusz w wieku oświecenia stworzyli taksonomię – klasyfikację żywych istot, np. królestwa zwierząt z rozmaitymi gatunkami i większymi grupami o konkretnych, charakterystycznych cechach: słonie, wilki, wielbłądy, owady itd.

Sądzę, że z komórkami jesteśmy na podobnym etapie – mamy katalog różnych pięknych kształtów, wiemy trochę więcej na temat tego, jak z jajowatych prekursorów powstają specyficznie wyglądające komórki nerwowe czy mięśniowe. 

Karol Darwin w kontekście zwierząt podjął się ambitnego planu – stworzył teorię ewolucji, która nadała sens taksonomii. Wyjaśniła, skąd wzięła się ta cała różnorodność życia i jak podobieństwa anatomiczne przekładają się na pokrewieństwo ewolucyjne organizmów.

Mam nadzieję, że w naszej dziedzinie uda nam się stworzyć analogiczną teorię wyjaśniającą, dlaczego mamy takie kształty komórek, jakie mamy. 

To pytanie o to, jak fizyka ogranicza ewolucję – jakie kształty komórek mogą istnieć zależnie od właściwości fizycznych układu, w którym występują? Niektórych kształtów nie da się uzyskać, ponieważ są one fizycznie niestabilne. Zatem jak wygląda pejzaż kształtów komórek? Jak możemy go zmierzyć i zrozumieć? Jak jest kontrolowany na poziomie molekularnym? Dlaczego choroba sprawia, że komórki przyjmują nietypowe kształty?

Za Pani badania nad mechaniką komórek przyznano Pani wiele nagród: Blavatnika dla Młodych Naukowców, Medal Hooke’a, Philip Leverhulme Prize. Która z nich jest dla Pani najważniejsza?

Myślę, że Medal Hooke’a, przyznawany przez Brytyjskie Towarzystwo Biologii Komórki, bo dostałam go tuż po przyjeździe do Wielkiej Brytanii i poczułam się nim niezwykle doceniona. Poza tym Hooke to człowiek, który ukuł termin „komórka”. Wie pani, skąd wziął nazwę?

Nie mam pojęcia.

Obserwował kształty komórek korka – tego naturalnego materiału. I nazwał je komórkami, bo przypominały mu mnisie cele, jedna obok drugiej. Po angielsku słowo cell oznacza i komórkę, i celę. Lubię tę historię. 

Bardzo ważna była też dla mnie Nagroda Blavatnika. Mówi się, że ustanowił ją po tym, jak poszedł na jeden z bankietów noblowskich i bardzo się zirytował, że wszyscy obecni byli bardzo starzy. Stwierdził więc, że potrzebne jest wyróżnienie dla naukowców poniżej czterdziestki. 

Jest Pani również jedną z najmłodszych naukowczyń, której w Instytucie Maxa Plancka dano możliwość stworzenia własnej grupy badawczej.

Wydaje mi się, że w tym przypadku nie bez znaczenia był fakt, że jestem Polką. Wówczas Instytut Maxa Plancka w Dreźnie prowadził program ze wspomnianym IIMCB z Warszawy, do którego również potem należałam. Komitetowi, który zaprosił mnie na rozmowę rekrutacyjną, zależało, by wspierać badania nad mechanobiologią, czym ja się akurat zajmowałam. W komitecie zasiadali prezes Polskiej Akademii Nauk i dyrektor IIMCB. Byli wyraźnie zadowoleni, że mogą zaproponować kogoś z Polski. Jestem za to bardzo wdzięczna – dzięki temu mogłam stworzyć swoje laboratorium! Z Polski pochodził także mój pierwszy doktorant – Jakub Sędziński, dzisiaj profesor na Uniwersytecie w Kopenhadze.

A Pani jest pierwszą kobietą, która na Uniwersytecie w Cambridge piastuje tytuł Profesora Anatomii. Dzisiaj ta nazwa może trochę być myląca w kontekście tego, czym się Pani zajmuje.

Profesor Anatomii to historyczna, prestiżowa katedra utworzona na Uniwersytecie Cambridge w 1707 r. – była to pierwsza katedra biologiczna, wówczas właśnie anatomia to było to, co naukowcy przede wszystkim studiowali. To rzeczywiście może brzmieć zabawnie, nie jestem przecież specjalistką anatomii ani lekarką. Jednak to, czym się zajmuję, jest współczesną anatomią na poziomie komórkowym.

Rzeczywiście jestem pierwszą kobietą na tym stanowisku, choć w Cambridge panuje dość równy podział płciowy, gdy idzie o piastowanie stanowisk kierowniczych. Z drugiej strony, dziedziny, którymi od zawsze się pasjonowałam – matematyka i fizyka – pozostają zdominowane przez mężczyzn, więc jestem przyzwyczajona do bycia jedną z niewielu kobiet w pokoju.

A jak to się stało, że z matematyki i fizyki dotarła Pani do biologii?

Na początku wybrałam matematykę i fizykę głównie z tego względu, że dzięki temu mogłam dalej mieć otwartą ścieżkę kariery. We Francji, gdzie chodziłam do szkoły od 9. roku życia, po zrobieniu dyplomu z matematyki, fizyki i chemii można kontynuować karierę w prawie dowolnym kierunku. Matematykę lubiłam ze względów estetycznych – pociągała mnie schludność dowodów matematycznych. Na uniwersytecie przyciągnęła mnie fizyka, bo była bardziej zakotwiczona w prawdziwym świecie – to w zasadzie używanie matematyki do rozumienia zjawisk zachodzących w świecie.

A potem stopniowo zdawałam sobie sprawę, że to, co naprawdę mnie zajmuje i co chcę zgłębiać, to jak fizyka ma się do życia. Tak znalazłam się w biofizyce. Kształtami komórek zajęłam się w Instytucie Curie w Paryżu na doktoracie.

Urodziła się Pani w Krakowie. Pani ojciec również był naukowcem, prawda?

Tak, nazywał się Andrzej Paluch i był antropologiem, przez lata pracował na Uniwersytecie Jagiellońskim, gdzie założył Zakład Antropologii Społecznej. Mama, Maria Hernandez-Paluch – Hernandez to nazwisko po pierwszym mężu, Wenezuelczyku, ojcu mojej starszej przyrodniej siostry – była dziennikarką. Pisała dla „Tygodnika Powszechnego”, założyła też magazyn „Bez Dekretu”, gdzie publikowała pod pseudonimem Konrad Struga. Oczywiście wydawano go nielegalnie, więc często bywałyśmy nagabywane na ulicy, mamę regularnie aresztowano, ciągle śledziła ją Służba Bezpieczeństwa. Wpadali do domu i wywracali wszystko do góry nogami. 

Chociaż dzieciństwo pozostaje dla mnie jak za mgłą, pamiętam z niego kadry, jakie kojarzymy z filmów o Polsce tamtych czasów. W 1986 r. mama uznała, że ma tego dość. Nikomu nic nie mówiąc, zabrała mnie i siostrę na wycieczkę do Paryża i na miejscu powiedziała nam, że już nigdy nie wrócimy.

A co z tatą?

Został w Polsce, byli już wtedy rozwiedzeni. Później urodziła mu się córka z kolejnego związku, moja młodsza przyrodnia siostra.

Ponieważ byliśmy uchodźcami politycznymi, przez pierwszych kilka lat nie mogłam przyjeżdżać do Polski. Spotykałam się więc z tatą tylko… w Cambridge. On przyjeżdżał tutaj ze względu na współpracę z brytyjskimi naukowcami. Nie miałam pojęcia, że kiedyś sama będę tu pracować i żyć z własną rodziną.

Wtedy, gdy miała Pani 9 lat, musiała Pani przeżyć niezły szok na wieść, że nie wraca Pani do domu.

Tak, ale to była mieszanka emocji. Z jednej strony myślałam: co z babcią, tatą, przyjaciółmi? A z drugiej strony pamiętam, że od razu zakochałam się w Paryżu i nie mogłam uwierzyć, że naprawdę będę tu mieszkać. Oczywiście musiałam nauczyć się francuskiego, ale dla dzieci to w miarę łatwe. Bez trudu przystosowałam się też do tutejszego systemu edukacji. Z pewnością mówię dziś lepiej po francusku niż po polsku, i chyba kulturowo też jestem bardziej Francuzką. Choć mam swoje polskie nostalgie.

Jakie? 

To zabawne, ale w miarę, jak się starzeję, wracam do korzeni, mimo że moi rodzice nie żyją już od prawie 20 lat i nie mam w Polsce zbyt wielu krewnych poza przyrodnią siostrą i ciocią z rodziną. Jak mam zły dzień, to idę sobie poprawić nastrój do polskiej restauracji w Cambridge. Na Wigilię cała moja międzynarodowa rodzina – mąż jest Amerykaninem, mamy też wśród krewnych Francuzów, Niemców i Polaków – razem lepi pierogi. 

Za każdym razem, gdy przyjeżdżam do Krakowa, czuję w środku miłe ciepełko. Ale lubię mieszkać w Cambridge. Mam wielokulturową rodzinę, sama łączę w sobie doświadczenie życia w czterech krajach, dobrze mi w takim kosmopolitycznym środowisku. W świecie badawczym wynikają z tego same plusy, w świecie rzeczywistym – również. 

Bycie uchodźczynią polityczną w latach 80. we Francji było raczej powodem do dumy niż stygmatem. Marzy mi się, byśmy na świecie znów zaczęli doceniać bogactwo płynące z różnorodności.

EWA PALUCH jest polsko-francuską biofizyczką i biolożką komórki, Profesorką Anatomii na Uniwersytecie Cambridge i członkinią Trinity College na tej uczelni. Ekspertka w dziedzinie mechaniki komórkowej, bada, jak komórki kontrolują swój kształt.

Studiowała matematykę i fizykę, biofizyką zajęła się w pracy doktorskiej. Zanim trafiła na Uniwersytet w Cambridge, prowadziła laboratorium w Instytucie Maxa Plancka Biologii Molekularnej i Genetyki w Dreźnie, z łączoną afiliacją w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie (IIMCB) oraz na University College London.

Podczas Copernicus Festival opowie o tym, od czego zależy kształt komórek i jak przekłada się na ich funkcjonowanie.