Autor: Ain Alvela (artikkel ilmus teadusportaalis Novaator)

Ühest küljest võiks meditsiini ja füüsika kokkupuutekoht olla aparaatide loomises ja ehitamises, mida kasutatakse haiglas inimeste ravimiseks, haiguste diagnoosimiseks, analüüside teostamiseks või muudel eesmärkidel. Teisalt toimub ka igas organismis lugematul arvul mehaanilisi ja muul moel füüsika alla liigituvaid protsesse.

Kusjuures, kuigi mikrotasandil, siis laias laastus kehtivad ka näiteks raku sees toimuvatele liikumistele ikkagi üldiselt tuntud ja tunnustatud füüsikaseadused. Ja neid tundma õppides võivad teadlased leida mooduseid, kuidas inimkonda painavaid haigusi kas siis paremini diagnoosida, ennetada või tõhusamalt ravida. Biofüüsika on teadus, mis uurib biosüsteemide ja bioloogiliste protsesside seaduspärasusi.

Füüsikud, keemikud ja bioloogid ühendavad jõud

Tallinna Tehnikaülikooli loodusteaduskonna küberneetika instituudi professor ja süsteemibioloogia laboratooriumi juhataja Marko Vendelin uurib käimasoleva projekti raames, kuidas toimub energia ülekanne südamelihase rakkudes ning milline on selle mõju mitokondritele, südamelihaste elektromehaanilisele sidestatusele ning kogu südame jõudlusele. Katsetes kasutatakse laborihiiri ja -rotte. Laborihiirelt võetud südamega saab ka korraldada juhitud katseid, saab luua erinevaid tingimusi, just selliseid, nagu teadlased vajavad, kui tahetakse mingit väidet kontrollida. 

„Biofüüsika, millega oma laboris tegeleme, liigitud fundamentaalteaduse valdkonda. Me ei ehita konkreetseid masinaid, vaid meie ülesanne on füüsikalisi seadusi kasutades uurida, mis toimub rakus või organismis üldisemalt,” ütleb Vendelin oma tööd iseloomustades. „Kui me saame aru, mis toimub terve inimese rakus ning mis seal muutub, kui inimest tabab mingi tõbi, siis on meil võimalik juhtida organismi tervenemise poole. Tavaelus tähendab see, et tuleb võtta rohtu. Aga milliste haiguste puhul milline rohi aitab, see saadaksegi tihtilugu teada rakutasandil protsesse uurides. Biofüüsikud otsivad n-ö juhtimiskohti, mida võiks mõjutada, et suunata organismi tervenemise suunas.”

Ta selgitab, et süsteemibioloogia laboris töötavad koos füüsikud ja bioloogid, mis tähendab, et aru saada ja teostada tuleb nii füüsilisi kui ka bioloogilisi katseid. Ja kuigi laboris töötavad inimesed on oma erialalt siis kas füüsikud või bioloogid, saavad nad hästi aru, et tegeleda tuleb mõlema valdkonnaga ja lõppeks need kaks ala tahes-tahtmata segunevad.

Biofüüsikud on tänaseks välja uuritud näiteks selle, kuidas elektriline signaal jõuab ioonkanalite kaudu raku sisse, kuidas need impulsid käivitavad konstraktsiooni ehk rakkude kokkutõmbumise jmt. Tänapäeval on need juba n-ö alusteadmised. Marko Vendelin, kes oma teadlasekarjääri alustas hoopis fotosünteesi uurides, ütleb, et füüsikut paelub bioloogia juures huvi rakutasandil toimuva süsteemi vastu. Ta on seda meelt, et kui me tahame teha teaduses laiapõhjalisi avastusi, siis peavadki erinevate valdkondade teadlased jõud ühendama.

Uuritakse, kuidas toimivad südamelihase rakud

Otsene uuringute põhjus, kuhu on kaasatud nii bioloogid kui füüsikud, on tõsiasi, et südamehaigused murravad üle ilma miljoneid inimesi ning nende diagnoosimine ja ravi edeneb siiani ikkagi küllaltki visalt.

Südamelihase uurimist iseloomustades ütleb Marko Vendelin, et kuigi ka hiirtega tehtavaid katseid püütakse teha nii vähe kui võimalik, siis head alternatiivi sellele pole, kuna me ei oska südamelihase rakke kunstlikult kasvatada. Sellepärast püütakse tehtavatest katsetest maksimum kätte saada.

„Rakud, millest süda koosneb, on silindrilise kujuga ja piklikud, umbes 100 µm pikad ja 20 µm läbimõõduga,” kirjeldab Vendelin. „Molekulide liikumine selles silindris on aeglane. Meie töö hüpotees seisneb selles, et iga rakk koosneb osakestest, mille mõõtmed on 1 µm kõigis suundades. Nendes n-ö kuubikutes liiguvad molekulid kiiresti, aga kaugemale nad raku sees ei liigu, st nad ei välju oma kuubikust. Peame esmalt kontrollima, kas see tõesti nii on ja seejärel aru saama, miks mõne südamehaiguse korral need väikesed kuubikud ära kaovad ja molekulid pääsevad liikuma mööda tervet rakku. Vastata tuleb küsimusele, kas see südamehaiguse seisukohalt on tähtis või mitte.”

Saades sellest aimu, saaks juba edasi liikuda küsimuse juurde, kuidas see mõjutab südamelihase funktsionaalsust ning mil moel seda teadmist arvestades oleks võimalik südamehaigusi ravida. Ühtlasi püütakse leida lahendus probleemile, et südamelihase rakud ei hakkaks ennast ise tapma, kui südame verevarustus saab mingil põhjusel häiritud. Seega otsivad teadlased võimalusi, kuidas südamelihase rakke „ära lollitada” ehk nende väljakujunenud käitumismustrit muuta.

Et ravida, tuleb mehhanisme mõista

Teine uurimissuund puudutab südame omadust nii muundada kui ka tarbida energiat. Selle protsessi liikuma panev jõud on mitokondrites toimuv ATP süntees ehk rakuhingamine, mille käigus lagunevad rasvhapped ja tekkinud energia salvestatakse ATP molekulidesse. Inimesele tuntavalt väljendub see kehalise pingutuse korral – mida rohkem me pingutame, seda suuremaks paisub süda ja seda rohkem ta verd pumpama hakkab. Teadlastele pole lõpuni selge, kuidas informatsioon, et nüüd on vaja pingutada, jõuab rakusiseselt mitokondritesse.

„Piltlikult öeldes püüavad teadlased aru saada masina tööpõhimõtetest, mida nad ise pole ehitanud. Sest masinat saab parandada ikkagi vaid siis, kui teame, kuidas see töötab,” selgitab Marko Vendelin rakutasandil tehtavate südameuuringute eesmärke. „Siin saavadki kokku füüsikute, keemikute ja bioloogide tööpõllud – kõik püüavad aru saada, kuidas mehhanismid töötavad, millised on selle kontrollpunktid jmt. Ja kui me neid asju teame, siis on võimalik juba ravida ehk siis masinat parandada.”

Ta tunnistab, et praktilisest ehk n-ö käega katsutavast või silmaga nähtavast tulemusest ollakse veel kaugel. Esialgu ei otsita ravimeetodeid, vaid püütakse mõista, kuidas üks või teine protsess toimub ja miks see toimub just nii. Selle uurimistöö tulemus võiks viia meid lähemale inimese füsioloogia põhitõdede tundmaõppimisele.

Olgu öeldud, et samale tulemusele võib viia ka hoopis teistsuguse metoodika kasutamine – sooritatakse juhitud katseid mingile hüpoteesile kinnituse leidmiseks ja järjepannu vaadatakse, mis juhtub. Aga selline lähenemine nõuab kahtlemata rohkem laborihiiri ja on ka muidu ressursikulukam. „Ma ei ütleks, et üks variant on teisest parem, mõlemaid on vaja ja loodetavasti saavad need kusagil kokku,” märgib Vendelin.

Iga südamelöögiga kaasnevate elektriliste impulsside uurimine seondub kirjeldatud uurimistööga sel moel, et need impulsid kanduvad rakult rakule – kui üks rakk on aktiveerunud, suudab ta seda edasi kanda ka naabrile jne. See annab signaali, mille abil mõõdetakse näiteks südame elektrokardiogrammi (EKG). Marko Vendeln uurib muu hulgas, kuidas need impulsid töötavad ühe raku tasandil ja mil moel see ülekandumine toimub.