Jak z pojedynczego zapłodnionego jaja powstaje organizm?

Każdy z nas zaczynał jako pojedyncza zapłodniona komórka w matczynym jajowodzie. W okresie około dziewięciu miesięcy komórka wzrastała w procesie wielokrotnego podziału komórkowego, stając się w pełni ukształtowanym noworodkiem. Rozwój tego samego rodzaju obserwowany jest w każdym wielokomórkowym organizmie na naszej planecie. Zagadnieniem, w jaki sposób zachodzi ten proces, skąd zapłodnione jajo wie, co powinno robić, i jak to robi, zajmuje się dziedzina biologii zwana embriologią. Jak wszystko, co związane jest z naukami biologicznymi, dziedzina ta przechodzi okres burzliwego rozwoju, ponieważ ludzie uczą się wiązać procesy biologiczne z tkwiącymi u podstaw oddziaływaniami między cząsteczkami.

Ogólny schemat rozwoju znany był już od jakiegoś czasu: najpierw początkowa komórka dzieli się kilkakrotnie, następnie embrion w kształcie kulki zaczyna się fałdować i deformować w procesie zwanym gastrulacją, a w końcu zaczynają się tworzyć układy narządów w procesie zwanym morfogenezą („tworzeniem kształtów”). Gdy procesy te badane są na poziomie cząsteczkowym, wychodzą na jaw dwie bardzo interesujące prawdy. (1) Jak rzeźbiarz używający tylko jednego zestawu narzędzi do nadania kształtu różnym częściom posągu, natura dla przeprowadzenia wielu różnych rodzajów działań w trakcie rozwoju organizmu zdaje się używać tych samych białek (o których można myśleć jak o molekularnych młotkach i dłutach), i (2) u wielu gatunków zachodzą te same podstawowe procesy, z podobnymi genami kodującymi podobne funkcje, nawet u organizmów tak odmiennych jak mysz i muszka owocowa.

Aby można było uświadomić sobie, jak wiele dokonano, opowiem o niektórych z ostatnich osiągnięć w tej dziedzinie. Jednym z podstawowych problemów, jaki staje przed zapłodnionym jajem, jest zapewnienie sobie w przyszłym dorosłym organizmie dobrze określonego schematu ciała. Musi być tam góra (głowa) i dół (stopy), przód i tył. Skąd pojedyncza, sferyczna komórka unosząca się w płynie wie, który kierunek jest „w górę”, a który „w dół”, który kierunek to „przód”, a który „tył”? W przypadku jednego organizmu, muszki owocowej, znamy już odpowiedzi na te pytania.

Zanim jajo zostanie zapłodnione, samica muszki owocowej składa do niego pewne cząsteczki RNA. Jeden rodzaj RNA koncentruje się na jednym końcu jaja, który stanie się następnie głową, inny rodzaj RNA na drugim końcu. Po zapłodnieniu cząsteczki RNA części „głowowej” wytwarzają jedno określone białko w swojej części embrionu, natomiast cząsteczki RNA odwłoka wytwarzają inne. Białka części „głowowej” włączają określony gen w DNA muszki owocowej, natomiast białka w odwłoku wyłączają ten gen. W ten sposób ustalona zostaje w embrionie oś góra-dół, proces taki prowadzi w końcu do ustalenia trzech segmentów charakterystycznych dla ciała owada. Jednym z celów embriologii jest uzyskanie podobnie szczegółowego wyjaśnienia tego procesu u innych organizmów, nie wyłączając ludzkiego.

Odpowiedzi na pytanie o to, w jaki sposób formują się narządy, też należy szukać na poziomie molekularnym. Na przykład, w jaki sposób komunikują się między sobą komórki embrionu? Klasyczne eksperymenty przeprowadzone dawno temu w embriologii ustaliły, że jeśli określone komórki zostaną przeszczepione z jednej części embrionu do innej, mogą „werbować” komórki ze swego nowego miejsca pobytu do tworzenia narządów odpowiednich dla ich pierwotnego położenia. Embrion może, na przykład, rozwinąć drugą oś ciała. Oczywiste jest to, że przeszczepione komórki przekazały coś swym nowym sąsiadom. Pytaniem jest, co i w jaki sposób zostało przekazane.

Wiemy, że komórki w embrionie żyją w bogatym środowisku biologicznym, gdzie jedne komórki wydzielają cząsteczki, które z kolei przyjmowane są przez inne. Naukowcy zaczynają teraz śledzić szczegóły działania tych chemicznych dróg transportu – w jaki sposób komórka rozpoznaje cząsteczkę i przyjmuje ją, jak sygnał niesiony przez cząsteczkę transmitowany jest do DNA komórki, jak włącza on określone geny i jaki jest wpływ tych genów na rozwijający się organizm. Rzadko kiedy proces sygnalizowania jest prosty, ponieważ każda komórka otrzymuje w tym samym czasie wiele sygnałów i końcowy rezultat jest najczęściej wynikiem skomplikowanych wzajemnych oddziaływań między nimi. Na przykład, co najmniej cztery cząsteczki przez naprzemienne przyciąganie i odpychanie kierują komórkami nerwowymi w celu ich połączenia ze sobą.

Pierwszym praktycznym wynikiem naszego nowego rozumienia chemicznych podstaw rozwoju zarodka będą prawdopodobnie leki mające zdolność aktywowania genów w dorosłych komórkach. Komórki zarodka mają siłę wzrostu nieobecną u osobników dorosłych – jeżeli na przykład płód in utero (w macicy) zostanie nacięty, zagoi się bez blizny. Jeśli wiedzielibyśmy, jakie cząsteczki włączają rozmnażanie się komórek w zarodku, byłoby możliwe zastosowanie tych cząsteczek w komórkach dojrzałych, aby wywołać ten sam skutek. W użyciu znajduje się już kilka podobnych leków, takich jak leki stymulujące produkcję czerwonych krwinek przy walce z anemią czy białych krwinek po transplantacji szpiku kostnego. Są to jednakże tylko początki. Naukowcy mówią z przekonaniem o lekach, które będą stymulować odnowę siatkówki oka po pewnego rodzaju uszkodzeniach; pobudzać gojenie się ubytków i owrzodzeń na skórze, będących często powikłaniami cukrzycy; sprzyjać zrastaniu się kości po skomplikowanych złamaniach; być może pozwolą też na odrastanie komórek nerwowych po uszkodzeniu rdzenia kręgowego. Wszystkie te leki stanowią w tej chwili jedynie pewną ewentualność, lecz zdziwiłbym się, jeżeli wprowadzenie co najmniej kilku z nich nie stanie się w najbliższych latach faktem.