أخبار عاجلة
روبوتات ترسم أعمالًا فنية مدهشة -
صور مذهلة للجسم ينتجها جهاز تصوير مبتكر -
ابل تقدم 3 اعلانات جديدة لتقنية Apple Pay Cash -
مشكلة واتس اب في الهند تتفاقم -

القوى الفيزيائية في علم الأحياء الخلوي

تم إعداد المقال من أميرة علي باواز بمتابعة من د.عبد الرحمن ساجيني الدكتور المساعد في بيولوجيا الخلايا الجذعية، قسم الهندسة البيولوجية في جامعة خليفة

تقوم الخلايا بالإستجابة لإشارات بيولوجية لإثارة بعض التفاعلات والقيام بوظائف بيولوجية مهمة مثل نمو الخلية وتكاثرها، وتمايزها. ولكن بالمقابل لوحظ أيضا أن القوى الميكانيكية من الممكن أن تساهم في إحداث تغيرات في سلوك الخلية. الإحساس الميكانيكي والانتقال الميكانيكي مفردتان تستخدمان في علم الأحياء الخلوي، واللتان تنتسبان لعملية إحساس جزيئات الخلية بالإشارات الميكانيكية الناتجة عن القوى الميكانيكية ومن ثم ترجمتها لإشارات بيوكيميائية. تتضمن عملية الإحساس الميكانيكي والانتقال الميكانيكي آلية التغذية الراجعة والتفاعل المتبادل. صورة 1 تظهر مراحل عملية الإحساس الميكانيكي والانتقال الميكانيكي بشكل أوضح. هذه المحفزات الميكانيكية على الخلية من الممكن أن تنشأ من البيئة المحيطة، النسيج الخارجي للخلية، تدفق السوائل، عبر إعادة ترتيب الهيكل الخلوي من داخل للخلية ، أو القوى الأسموزية.

معظم محفزات الخلية تُستشعر عن طريق أجزاء الخلية المعرضة لهذه المحفزات، وتسمى هذه الأجزاء المستشعرات الميكانيكة للخلية. مركب التصاق الخلية بالنسيج ، مركب التصاق الخلية بالخلية ، البروتينات التابعة لغشاء الخلية، قنوات الأهداب، الهيكل الخلوي والهيكل التابع للنواة جمعيها تعتبر العناصر الميكانيكية الحسية الأساسية للخلية. مثلا، الإنتغرين الموجود في مركب التصاق الخلية بالنسيج الخارجي يغير حالته من المنحنية (غير النشطة) إلى حالته الممتدة (النشطة) إستجابة للقوى المطبقة عليه. هذه التغيرات الشكلية للإنتيغرين تؤدي إلى انفصال الوحدات الفرعية ألفا وبيتا والتي تساعد بدورها في تهيأة الخلية للقيام بمهام معينة.

الإحساس الميكانكي خلال التطور:

وظيفة الإحساس الميكانيكي والإنتقال الميكانيكي لم يتم تعريفه بشكل كامل خلال تطور الأجنة. مع ذلك، من المعروف أن بعض عمليات التطور والأساسيات الميكانيكية لتشكيل الخلية يتم تنظيمها عن طريق الإحساس الميكانيكي.أحدى أهم الآثار البيولوجية والآليات الأساسية للإحساس الميكانيكي تتضمن تغير في توتر الخلية، مما يؤدي إلى تناوب في توزيع البروتينات. التوتر في الأنسجة يؤثر أيضا على انقسام الخلية ويساهم في تكاثرها كما يبدو في القرص الخيالي لأجنحة ذباب الفاكهة. هناك العديد من المستشعرات في أجنة ضفادع القيطم وسمك الدانيو مثل البروتين كيناز الموجود في مركب التصاق الخلية بالنسيج، بروتينات الميوسين التقليدية، و سلسلة الميوسين الثقيلة 10 والتي ظهرت جميعها على أنها مطلوبة لتوجيه المغزل خلال تمدد الأنسجة وانكماشها في عملية تكون المعيدة. إضافة إلى ذلك، في عملية النسخ للبويضة المخصبة لأجنة ذباب الفاكهة، من الممكن أن يلعب البروتين لامين أ دور المستشعر الميكانيكي الذي ينظم تمايز الخلية الجذعية.

طرق لدراسة القوى الفيزيائية في الخلية:

تم اختراع العديد من الوسائل التكنولوجية المتقدمة لدراسة تأثير القوى الفيزيائية على الخلية. على سبيل المثال، مجهر القوة الذرية هو جهاز يستخدم لفهم الخصائص الميكانيكية وتشكيل صور للخلية على مقياس النانو. يتم جمع المعلومات التابعة لخصائص اللدونة، المرونة، اللزوجة،و الالتصاق التابعة للخلية على حسب استجابتها للقوى المطبقة من الجهاز. صورة 2 توضح إعدادات جهاز مجهر القوة الذرية ومكوناته الأساسية وكيف يمكن استخدام معلومات القوة لتحديد الخصائص الميكانيكية للخلايا.



يعتبر الملقط البصري أداة أخرى تستخدم لقياس الخصائص الميكانيكية للخلية ولكن على مقياس المايكرو. تمكن هذه الأداة الباحثين بالتلاعب بمكونات الخلية خلال عملية قياس الخصائص الميكانيكية. يتم محاصرة جسيم بصري صغير بشكل مستقر عن طريق شعاع ليزر شديد التركيز. ثم تتم السيطرة على موقع الجسيم المحاصر بصريًا عن طريق مراقبة ازاحة الجسيم مع الوقت ويمكن تقدير القوى الصغيرة من خلال التغيرات في إزاحة الجسيم من مركز الحصر.

أخيرا، مجهر قوة الجر يستخدم أيضا من ضمن التقنيات لتحديد الخصائص الميكانيكية للخلية، حيث أنه يستخدم للتحكم بالخلية خلال حركتها. يتم زراعة الخلايا على (أو داخل) كرة تضم في داخلها هلام البولمير. انقباض الخلية يغير من شكل الهلام، حيث أن كل هلام لديه معامل مرونة خاص به. يمكن حساب قوة الجر التابع للخلية من خلال إزاحات الكرة. التغيرات الشكلية المقاسة يتم اسخدامها لحساب القوة المولدة خلال الهجرة الخلوية، انقسامها، وتصادمها.

صورة 2: تبين الصورة الأجزاء الأساسية لأي جهاز مجهر القوة الذري. لتحديد خصائص الخلية، يجب قياس القوى بين الخلية والرأس الكروي المستخدم. كلما اقترب الرأس من الخلية، يحدث قوة جذب بين ذرات السطح والرأس. إلا أن عند ملامسة الرأس للسطح، تحدث قوة تنافر بينهما وذلك لعدم قدرتهم على اختراق بعضهم البعض.
صورة 2: تبين الصورة الأجزاء الأساسية لأي جهاز مجهر القوة الذري. لتحديد خصائص الخلية، يجب قياس القوى بين الخلية والرأس الكروي المستخدم. كلما اقترب الرأس من الخلية، يحدث قوة جذب بين ذرات السطح والرأس. إلا أن عند ملامسة الرأس للسطح، تحدث قوة تنافر بينهما وذلك لعدم قدرتهم على اختراق بعضهم البعض.

القوى الفيزيائية في علم أحياء الخلايا الجذعية:

دور القوى الفيزيائية في الخلايا من الممكن أن يظهر بشكل واضح عند الخلايا الجذعية. فقد لوحظ أن الخلايا الجذعية للأجنة خلال حالتها الإنتقالية تبدي صفة فيزيائية خاصة في نواتها تسمى خاصية الأكسيتك. الهياكل أو المواد الأكسيتك حسب التعريف هي المواد التي لديها نسبة بواسون سالبة. لذلك، عندما تمتد في أحد الإتجاهات فهي تتسع في الإتجاه الآخر ، وعندما تنضغط في أحد الإتجاهات فهي تنكمش وتتصلب في الإتجاه الآخر. خاصية الأكستيك يمكن قياسها عن طريق نسبة معينة تسمى معامل الإنخفاض k، حيث أن  و E هو معامل يونغ مقياس لمرونة المادة و v هو معامل بواسون مقياس لتأثير بواسون. تم تحديد اختلافية نواة الخلية الجذعية في حالتها الانتقالية عن الخلايا الجذعية في حالاتها الأخرى مثل الحالة الأولية (الخلية الجذعية الجنينية الغير متمايزة) و الحالة المتقدمة (الخلية الجذعية الجنينية المتمايزة من أجنة الفأر) باستخدام وسيلتين مختلفتين. بعد تطبيق فجوات بقيم متزايدة لأنواع مختلفة من الخلايا الجذعية، لم تظهر الخلايا الجذعية الأولية ولا الخلايا المتقدمة أي تغير ملحوظ في قيمة المعامل E. في المقابل، الخلايا الجذعية في الحالة الإنتقالية أظهرت ارتفاع أسي للمعامل k مع تزايد قيم الفجوات المطبقة. هذا يدل على أن الضغط العالي يؤدي إلى ارتفاع قيمة k في الخلايا الجذعية الجنينية-الإنتقالية، مما زاد أيضا من صلابة الخلية. هذا يظهر أن الخلايا الجذعية الجنينية-الإنتقالية تبدي خاصية الأكستيك كما نستدل من صورة 3. تم اختبار خاصية الأكستيك من خلال اختبار آخر يسمي تحليل التغير الشكلي وذلك بالاستعانة بفحص الموائع الدقيقة. أغلب الخلايا الجذعية خضعت لزيادة في الانفعال الطولي بسبب ضيق القنوات في هذا الفحص و الضغط، إلا أن الخلايا الجذعية الجنينية-الإنتقالية خضعت لنقص في الانفعال الطولي ونقص في الانفعال العرضي . هذا دليل على أنها تحتوي على خاصية الأكستيك. أحد النتائج الإيجابية لخاصية الأكستيك في اللخلايا الجذعية هي ازدياد الحجم عند التمدد. التغير في الحجم يؤدي إلى وجود مساحة أكبر للموائع والجزيئات لتتوزع داخل النواة. لذلك، فإن الضغط الخارجي خلال تطور الجنين من الممكن ان يقود إلى ارتفاع في تحول الجزيئات، ويسيطر على برامج النسخ في نواة الخلية الجذعية الجنينية-الإنتقالية خلال عملية التمايز.

صورة 3: توضح الصورة كيف تتصرف الحالات المختلفة من الخلايا الجذعية الجنينية تبعًا لتطبيق فجوات بأعماق مختلفة. قيمة المعامل k للخلايا الجذعية الجنينية الأولية والخلايا المتقدمة بقيت ثابتة تقريبًا. إلا أن الخلايا الجذعية الجنينية الإنتقالية أظهرت ارتفاع أسي في قيمة المعامل k تبعا للإرتفاع في الفجوات. قيمة عالية للمعامل k تعني قيمة عالية لـE أيضا. مما يدل على أن الخلايا الجذعية الجنينية لديها خاصية الأكستيك.

  

  

تمثل عمليات انتقال واستشعار القوة العمليات الحيوية الأساسية التي تعد ضرورية لمجموعة متنوعة من الوظائف الأساسية العليا للخلية بما في ذلك انقسام الخلايا، وحركتها، وتمايزها الذي تترتب عليه آثار في الطب وعلم الأحياء. التغيرات في شكل الخلية ووظائفها نتيجة للمحفزات الميكانيكية يتم رصدها وقياسها عن طريق نطاق واسع من المعدات والطرق الفيزيائية الحيوية، تتضمن مجهر القوة الذري، الملقط البصري، مجهر قوة الجر، والمزيد. و في الختام، فإن خاصية الأكستيك للنواة من الممكن أن تكون مشاركة بشكل مهم في تحويل المحفزات الميكانيكية لاستجابات خلوية، أي في الانتقال الميكيانيكي. وكما تم ذكره سابقا، الخلايا الجذعية الجنينية -الانتقالية تظهر خصائص مختلفة استجابة للقوى الميكانيكية.

اشترك فى النشرة البريدية لتحصل على اهم الاخبار بمجرد نشرها

تابعنا على مواقع التواصل الاجتماعى

التالى "واتس اب" يمنح مديري المجموعات ميزة جديدة.. تعرف عليها