Что, если бы тело «слушало»? Звук может модулировать активность генов, говорится в японском исследовании
А что если наше восприятие звука не ограничивается слухом? Японские исследователи обнаружили удивительную чувствительность клеток к акустическим колебаниям. Их исследование показывает, что определенные звуковые волны способны изменять клеточную активность, открывая новое направление в механической биологии и акустической биологии. Иными словами, тело — далеко за пределами уха — тоже может «слышать».
Напомним, что звук представляет собой механические волны сжатия, распространяющиеся через различные среды — воздух, воду или биологические ткани. Эти волны создают колебания давления, которые высокоспециализированный слуховой аппарат человека способен интерпретировать с поразительной точностью.
Исходя из этого физического явления, исследователи из Университета Киото под руководством доктора Масахиро Кумета изучили возможность того, что акустические волны давления — даже на уровнях, считающихся физиологическими — могут напрямую взаимодействовать с живыми клетками и вызывать измеримые биологические реакции.
Команда сосредоточилась на понимании того, как клетки потенциально могут «декодировать» звуковые сигналы. «Звук — одна из самых распространенных физических сил в природе», отмечают авторы исследования, опубликованного в журнале . Для оценки воздействия звука на клеточную активность доктор Кумета подробно описал экспериментальную установку: «Мы разработали систему, позволяющую подвергать культивируемые клетки контролируемому акустическому воздействию».
Специальная установка для контролируемого звукового воздействия
В рамках исследования ученые из Киото создали экспериментальную систему, предназначенную для воздействия на клеточные культуры точно настроенными звуковыми волнами. Эта установка позволила тщательно документировать вызванные биологические реакции.
Основой системы является вибрационный преобразователь, установленный в перевернутом положении под лабораторной полкой. Обычно используемый для преобразования электрических сигналов в механические колебания, этот преобразователь был подключен к цифровому аудиоустройству, соединенному с усилителем. Такая конфигурация обеспечивает генерацию звука с высокой точностью по частоте и интенсивности.
Созданная акустическая волна передается непосредственно в среду с клеточными культурами через специально разработанную мембрану, механически соединенную с контейнером, содержащим клетки мышиных моделей. Эта физическая связь гарантирует равномерное и точно контролируемое распространение акустического давления при минимальных внешних помехах. Клетки находятся в контролируемой звуковой среде, что обеспечивает оптимальные условия для эксперимента.
Клеточные культуры подвергались воздействию двух специфических частот: 440 Гц (нота «ля») и 14 кГц (порог верхней границы человеческого слуха). Контрольная группа подвергалась воздействию белого шума. Анализ РНК-секвенирования в сочетании с передовой микроскопией выявил акустическую реактивность почти 190 генов.
Подавление дифференцировки адипоцитов
Наблюдаемые реакции различались в зависимости от типа клеток. Однако наиболее значимым открытием стало то, что звуковые волны способны подавлять дифференцировку адипоцитов. В этом процессе клетки-предшественники превращаются в зрелые жировые клетки, специализирующиеся на хранении липидов. Это открытие предлагает новые терапевтические возможности в борьбе с ожирением.
«Поскольку звук нематериален, акустическая стимуляция представляет собой неинвазивный, безопасный и мгновенный инструмент, который может стать перспективным дополнением в медицине», — считает доктор Кумета.
Исследование выявило различные клеточные реакции в зависимости от акустических характеристик. Некоторые гены реагировали только на определенную частоту, тогда как семь генов активировались на одной частоте и подавлялись на другой. Однако статистическая значимость этих результатов требует дополнительного подтверждения.
Ученые также изучили влияние формы звуковой волны (синусоидальная, прямоугольная и треугольная). Клеточные реакции были в целом схожими, хотя синусоидальные волны вызывали наиболее выраженные эффекты.
Плотность клеток также оказалась важным фактором: некоторые гены реагировали противоположным образом в зависимости от концентрации клеток. Для полного проявления изменений в экспрессии генов требовалось 24-часовое воздействие, хотя треть изменений проявлялась уже в первые два часа.
Предыдущие исследования показали, что белый шум может проникать через ткани к плоду у млекопитающих, что предполагает аналогичный механизм у человека. Однако эволюционное значение наблюдаемых клеточных реакций остается неясным: длительное воздействие стабильной частоты редко встречается в естественной среде. Примечательно, что некоторые гены, чувствительные к высоким частотам (14 кГц), связаны с реакцией на гипоксию.
Это исследование способствует развитию новой области — механобиологии, изучающей влияние физических сил на клеточное поведение. Выявив связь между звуковыми волнами и генной модуляцией, работа открывает новые перспективы на стыке физики, биологии и медицины.