साइंसहब # 05: एक्सफ़िटेबल सिस्टम्स की बायोफिज़िक्स

साइंसहब के नए अंक में, हमने कोंस्टेंटिन एग्लादेज़ के साथ बात की, भौतिकी और गणित में पीएचडी, मास्को इंस्टीट्यूट ऑफ़ फ़िज़िक्स एंड टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर और प्रयोगशाला के हेड ऑफ़ नैनोट्रिप्शन फॉर मेम्ब्रेन-प्रोटीनिन मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ़ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी फॉर मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ़ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी में बायोफिज़िक्स के बारे में, दिल का अध्ययन करने के लिए आधुनिक दृष्टिकोण। मानव से।

बायोफिजिक्स क्या है

यह स्पष्ट है कि यह एक ऐसा क्षेत्र है जहां दो विषयों को संयुक्त किया जाता है: भौतिकी और जीव विज्ञान, अर्थात्, जब जीव विज्ञान की वस्तुओं की जांच की जाती है, लेकिन भौतिकी के तरीकों से। कोन्स्टेंटिन एग्लादेज़ पसंद करते हैं कि यह भौतिक विज्ञानी हैं जो शास्त्रीय जीवविज्ञानी के बजाय बायोफिज़िक्स में लगे हुए हैं, और अधिमानतः भौतिक विज्ञानी जो रूस या यूएसएसआर में शिक्षित हुए हैं।
भौतिक विज्ञानी जीवविज्ञानियों की मदद कैसे कर सकते हैं: सेल इंटरैक्शन, सेल एनसेंबल की सूक्ष्म संरचनाओं का अध्ययन करें, समझें कि वे भौतिकी और गणित के उपकरणों का उपयोग करके कैसे काम करते हैं।

कॉन्स्टेंटिन एग्लादेज़: “उदाहरण के लिए, जनसंख्या के लिए एक भौतिक दृष्टिकोण हो सकता है। जनसंख्या की गतिशीलता का वर्णन केवल गैर-रेखीय समीकरणों द्वारा किया जाता है। यह सब बहुत अच्छी तरह से संबंधित है। उदाहरण के लिए, गणितीय उपकरण इस बात से अच्छी तरह से संबंध रखता है कि अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है, कहते हैं, उत्तेजक ऊतकों में प्रक्रियाएं (जैसे कि हृदय और तंत्रिका ऊतक। हम जिस छोटे क्षेत्र से निपटते हैं, वह उत्तेजक प्रणालियों का अध्ययन है। अर्थात, हमारी प्रयोगशाला कहा जाता है। "(इसे ऐतिहासिक रूप से यह नाम दिया गया है), सेल फिजियोलॉजी को नियंत्रित करने के लिए प्रोटीन परिसरों के नैनोकणों का निर्माण। लेकिन वास्तव में, हम इसे केवल उत्तेजक प्रणालियों की भौतिकी की प्रयोगशाला कहते हैं।"

प्रयोगशाला में, अग्लादेज़ विशेष रूप से हृदय के ऊतकों से संबंधित है। जीवन प्रत्याशा बढ़ाने और हृदय रोग से बचने के लिए, आपको यह समझने की आवश्यकता है कि हृदय कैसे काम करता है।

के। ए .: “दिल से क्या होता है? उत्तेजना तरंगें इसके साथ यात्रा करती हैं और बहुत बड़ी संख्या में कोशिकाओं को एक एकल पहनावा के रूप में काम करती हैं, शरीर के माध्यम से रक्त पंप करती हैं। यह क्या है? यह कार्य, एक तरफ, बायोनिक रूप से दिलचस्प है। बायोनिक का ऐसा विज्ञान है, जो जैविक वस्तुओं में उत्पन्न होता है और इस तरह से संकीर्ण वस्तुओं को बनाने की कोशिश करता है। यह अपने आप में दिलचस्प है। उदाहरण के लिए, अत्यधिक चिपचिपा तरल पदार्थों को पंप करने का तरीका देखें। लेकिन वह बात नहीं है। और यह देखने के लिए कि यह पंपिंग सिस्टम अचानक विफलताओं को क्यों देना शुरू कर देता है? "

इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी

दिल का एक इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल अध्ययन, एक दिशा के रूप में जो 100 साल से अधिक पहले उत्पन्न हुआ था, अब विकसित हो गया है और हमें यह समझने की अनुमति देता है कि हृदय पर उत्तेजना कैसे फैलती है। यह हृदय की उत्तेजना की तरंगों के प्रकाशीय विद्युत निर्धारकों की खोज के बाद ही संभव हुआ।

के। ए .: "हमने हृदय के ऊतकों पर इलेक्ट्रोड लगाया, और हम देख सकते हैं कि तरंग इलेक्ट्रोड के नीचे भाग गई। लेकिन हम लहर के पूरे मोर्चे को देखना चाहते हैं। इसलिए हमें बहुत सारे इलेक्ट्रोड लगाने होंगे। और अगर हम समय के साथ अलग-अलग बिंदुओं पर सामने की स्थिति देखना चाहते हैं, तो हमें इन इलेक्ट्रोडों की सिर्फ एक कंघी नहीं रखनी चाहिए, बल्कि पहले से ही इन इलेक्ट्रोडों का एक मैट्रिक्स है। और अगर एक अच्छे संकल्प के साथ, तो हजारों इलेक्ट्रोड होने चाहिए । ”

इस क्षेत्र में क्या सफलताएं थीं: 20 साल पहले, रंगों को विकसित किया गया था जो सेल में उत्तेजना को ट्रैक करने में मदद करते हैं। और समानांतर में, इन फ्लोरोसेंट को देखने में सक्षम कैमरे विकसित किए गए थे। उसी समय, पहले एक उत्तेजना लहर के प्रसार, भंवर तरंगों की घटना को दिखाया गया था, जिससे यह समझना संभव हो जाता है कि घूमने वाले भंवरों की अवधारणा अचानक मृत्यु की ओर ले जाती है।

के। ए .: “मल्टी-इलेक्ट्रोड रिकॉर्डिंग में किसी भी प्रयास को बहुत गहन डिक्रिप्शन, किसी प्रकार की अटकलें, यानी एक्सट्रपलेशन की आवश्यकता थी। और हमेशा एक सवाल उठता था कि शायद यह एक एक्स्ट्रापोलर की कल्पना है। और यहाँ यह दिखाई देने लगा। यही है, इसे देखने के लिए संभव हो गया। "

दूसरी सफलता तब मिली जब हमने टिशू कल्चर बनाना और उस पर ऑप्टिकल मैपिंग करना सीखा। इससे समझना संभव हुआ

के। ए।: “सवाल हमेशा उठता है, या शायद लहर यहां चलती है ताकि एक विशेष दिल हो, और इसलिए नहीं कि ऐसे रास्ते हैं? इसलिए, यह सीखना आवश्यक था कि सिस्टम को सरल कैसे बनाया जाए। उन्होंने इसे सरल बनाया, इसे एक कपड़े की संरचना बनाया। और उन्होंने देखा कि वहां भी, आप तरंगों के प्रसार को देख सकते हैं और देख सकते हैं कि क्यों कुछ रसायनों के प्रभाव में ये तरंगें स्थिरता खो देती हैं, विकसित होने वाली अतालता के हार्मबर्स को तोड़ और बना सकती हैं। इसके अलावा, हमारा काम विपरीत दिशा में जाना था। हम उलझने लगे। फिर सवाल उठता है: ठीक है, सभी एक ही, यह हृदय समस्थानिक नहीं है, इसमें एक फाइबर संरचना है। और देखते हैं कि क्या होता है अगर हमारे पास सिर्फ एक आइसोट्रोपिक नहीं है, लेकिन एक आइसोट्रोपिक माध्यम नहीं है, अर्थात, सेल एक दिशा में निकलेगा, तो उत्तेजना के प्रसार के लिए क्या अवसर होंगे? यहां हमें इससे पीड़ा होती है। यही अब हम कर रहे हैं। साथ ही, अब हम एक नियंत्रित त्रि-आयामी प्रणाली बना सकते हैं। यह अभी भी काफी पतला है। लेकिन फिर भी, यह केवल एक परत नहीं है, बल्कि कोशिकाओं की कई परतें हैं, और इस दिशा में आगे बढ़ती हैं। ”

प्रयोगशाला में भविष्य "सेल फिजियोलॉजी को नियंत्रित करने के लिए झिल्ली-प्रोटीन परिसरों के नैनोकण"

अनुसंधान की संभावनाएं इस प्रकार हैं - हमें मानव कोशिकाओं को चूहा करने के लिए एक संक्रमण की आवश्यकता है। बेशक, उन्हें बस प्राप्त करना असंभव है, लेकिन शिन्या (शिन्या) यामानाका के काम के लिए धन्यवाद, जिन्होंने साधारण कोशिकाओं से प्लूरिपोटेंट कोशिकाओं को बनाना सीखा, आप उन्हें कृत्रिम हृदय ऊतक बनाने के लिए इतनी मात्रा में बना सकते हैं, और देखें कि मानव हृदय के ऊतकों में क्या होता है।

के। ए .: "एक ओर, हम समझते हैं कि चूहे के दिल और इंसान के बीच बहुत कुछ समान है। यदि यह आम नहीं होता, तो कार्डियक बायोफिज़िक्स मौजूद नहीं होता। लेकिन तथ्य यह है कि एक बड़ा अंतर है। और हम, उदाहरण के लिए, स्वयं, इस अंतर के पार आए। इस काम को करने वाले मेरे जापानी स्नातक छात्र ने एक साधारण जापानी डायरिदमेटिक का इस्तेमाल किया, उसने चूहे के दिल की कोशिका संस्कृति को दिया, यह देखने के लिए कि क्या होगा, उसने कुछ भी नहीं देखा। और जब हमने इससे निपटना शुरू किया, तो यह पता चला कि बहुत ही व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला तृतीय-वर्ग डायरिथिक्स केवल मानव कोशिकाओं पर काम करेगा, क्योंकि उनके पास विशेष आयन चैनल हैं जो इन डायरिथिक्स द्वारा अवरुद्ध हैं। लेकिन चूहों में ये आयन चैनल नहीं होते हैं। यह एक बहुत स्पष्ट बात प्रतीत होती है, लेकिन इसे इस तरह की अप्रत्याशित पुष्टि मिली। यही है, अगर हम मनुष्यों के लिए एक दवा विकसित करना चाहते हैं, तो हमें मानव ऊतकों का उपयोग करना चाहिए। ”

नए विशेषज्ञ। वह कौन है?

यह शोध आखिर किसे करना चाहिए? कोंस्टेंटिन का मानना ​​है कि अच्छे जैविक प्रशिक्षण वाले भौतिकविदों की अधिक संभावना है, क्योंकि उत्तेजना तरंगों का अध्ययन एक बहुत ही शारीरिक कार्य है।

के। ए .: “बेशक, आणविक जीवविज्ञानी की विशेषज्ञता अत्यंत महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, प्लुरिपोटेंट कोशिकाओं के साथ काम करने के लिए और नियमित काम के लिए। हालांकि यह एक बहुत ही जटिल और नाजुक प्रक्रिया है। उन्हें हृदय की कोशिकाओं में अंतर करने के लिए, पहले स्थान पर सक्षम आणविक जीवविज्ञानी की आवश्यकता होती है। लेकिन अगले चरण के लिए, भौतिकविदों को इन हृदय भंवरों के साथ काम करने की आवश्यकता है।

अगर हम उन विशेषज्ञों के बारे में बात करते हैं जो हमारी प्रयोगशाला में काम करने के लिए तैयार हैं, तो यह एक बहुत मुश्किल सवाल है। क्योंकि, विशेष रूप से बोलते हुए, उन लोगों के बारे में - मेरे स्नातक छात्र जो भौतिकी और प्रौद्योगिकी विभाग में यहां अपनी रक्षा करने वाले पहले व्यक्ति होंगे, ये ऐसे लोग हैं जो विज्ञान में लगे हुए हैं कि शायद दुनिया में एक दर्जन से अधिक लोग इसमें लगे हुए हैं। यानी यह कोई व्यापक दर्शक नहीं है। दूसरी ओर, वे एक ही प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी में उत्कृष्ट विशेषज्ञ हैं, क्योंकि उन्हें उच्चतम स्तर पर मास्टर करना था। ये वे लोग हैं जो कम्प्यूटरीकृत डेटा संग्रह प्रणालियों के साथ शानदार काम करते हैं। और ये वे लोग हैं, जो निश्चित रूप से, ऊतक इंजीनियरिंग का नियमित अध्ययन करते हैं। इसलिए, जहां कहीं भी इस दिशा के विशेषज्ञों की आवश्यकता है, वे पूरी तरह से काम कर सकते हैं। दूसरी ओर, मुझे लगता है कि निकट भविष्य में हमें यह साबित करना होगा कि चिकित्सा उपकरणों के चयन में हमारी पद्धति बेहद प्रभावी है। और मैं वास्तव में आशा करता हूं कि तब यह ज्यादातर दवा कंपनियों की मांग होगी। आप किस बारे में बात कर रहे हैं? ऐसा करने के लिए, आपको यह देखना होगा कि दवा कंपनियां कैसे काम करती हैं। चूंकि आणविक जीव विज्ञान की सफलताएं बहुत मजबूत थीं और सब कुछ आणविक मशीनों के स्तर तक उतर गया था, वास्तव में अब यह सभी आयन चैनलों के स्तर पर काम करता है। आयन चैनल काम करते हैं इस तथ्य के कारण उत्तेजक कोशिकाएं काम करती हैं। और जब फार्मासिस्ट कुछ काम करते हैं, तो वे एक चैनल पर पदार्थ के प्रभाव को देखते हैं और कहते हैं: “ठीक है, हमने इस चैनल को अवरुद्ध कर दिया है। निचली उत्कृष्टता। और इसलिए यह दवा काम करेगी। ” यह एक परिप्रेक्ष्य है। इन प्रयोगों में साबित होने के बाद, एकल कोशिका, पशु प्रयोग चल रहे हैं। "

अनारक्षित समस्याएँ:

मुख्य कार्य यह समझना है कि, लहर के टूटने पर क्या होता है, और भंवर कैसे व्यवहार करते हैं:

के। ए।: "अब यह पूरी तरह से अज्ञात है, उत्तेजना के भंवर, जो अंत में कंपन का कारण हैं, ये तरंगें अपने आप में कितनी स्थिर हैं। यही है, क्या वे एकरूपता पर स्थिर होते हैं या वे अपने दम पर अस्तित्व में आ सकते हैं, पुनर्जन्म, गुणा, और किसी तरह अपने अस्तित्व का समर्थन कर रहे हैं? यही है, इन भंवरों की गतिशीलता से संबंधित कई चीजें अभी भी वास्तविकता में अज्ञात हैं। इसलिए, अभी भी गतिविधि के लिए एक बड़ा क्षेत्र है। ”

वीडियो प्रारूप के प्रशंसकों के लिए, कॉन्स्टेंटिन एग्लादेज़ के साथ एक साक्षात्कार यहां उपलब्ध है।