Кто следит за порядком в живой клетке – взгляд физиков

© iStock

Итальянские и российские исследователи подтвердили гипотезу о том, что  самоподдерживающийся порядок в ядерной (эукариотической) клетке – результат совместного действия двух спонтанных механизмов. Одинаковые молекулы  собираются в «капли» на мембране, а затем отрываются от нее в форме крошечных пузырьков, обогащенных собравшимися вместе молекулами. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследование провела международная междисциплинарная команда биологов из Туринского политехнического института, Итальянского института медицинской генетики Туринского университета, Института Кандиоло и физиков из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ.

Игорь Колоколов, директор ИТФ им. Л.Д. Ландау, заведующий базовой кафедрой теоретической физики

Участие физиков-теоретиков в биологических исследованиях может быть весьма значимо, когда в изучаемом явлении удается выделить универсальную структуру, малочувствительную к химическим и иным деталям. Конечно, биологическая постановка задачи первична, и без наших коллег – биологов работы бы не было. Но в целом, такое сотрудничество биологов, онкологов и физиков-теоретиков и образует современную быстро развивающуюся науку – физическую биологию.

Эукариотическая клетка обладает ядром и является основной структурной единицей всех животных и растений. Под микроскопом видно, что она представляет собой довольно сложное сооружение, состоящее из множества отсеков, разделенных мембранами. Каждое отделение играет свою роль в функционировании клетки и занято определенными молекулами. Клетка сохраняет этот внутренний порядок при взаимодействии с окружением и, если не вмешиваются патологии, не деградирует в бесформенное скопление молекул. Важнейшую роль в устойчивости ядерной клетки играет процесс постоянного пространственного переупорядочивания и доставки молекул в правильные места назначения.

Владимир Лебедев, профессор базовой кафедры теоретической физики ВШЭ

Этот процесс напоминает ежедневную уборку в большом и многолюдном доме. Однако в этом доме нет явной хозяйки, и получается, что такая важная работа происходит как бы сама по себе по неясным правилам.

В статье «Optimality in Self-Organized Molecular Sorting» исследователи выдвинули, проанализировали и экспериментально проверили гипотезу о том, что такой самоподдерживающийся порядок в эукариотической клетке является результатом совместного действия двух спонтанных механизмов. Во-первых, одинаковые молекулы собираются на мембране в кластеры, подобно тому, как капли воды возникают в переохлажденном облаке пара, приводя к образованию тумана. Во-вторых, эти «капли» вызывают локальное выпячивание мембраны, на которой они находятся, и в конце концов, образуются крошечные пузырьки (везикулы). Обогащенные собравшимися вместе молекулами, они отрываются от мембраны и отправляются в путешествие по клетке. Поэтому многие внутренние мембраны эукариотической клетки представляют собой естественные перегонные аппараты, причем готовая продукция доставляется потребителю (например, в другом отсеке клетки) в «бутилированном» виде.

В опубликованной работе построен математический аппарат, позволяющий выделить универсальные черты в кинетике такой дистилляции. Его адекватность проверена прямым численным моделированием. Обнаружено, что для каждого сорта молекул существуют оптимальные значения параметров, например, частоты зарождения кластеров, при которых весь процесс дистилляции идет максимально эффективно. В частности, если эта частота слишком мала, то и  дистилляция идет слишком медленно. В обратном предельном случае быстро образуется множество небольших капель, которые покроют заметную площадь мембраны, но ни одна не достигнет за разумное время критического размера, необходимого для образования готовой везикулы.

«С точки зрения физики движение молекул по мембране подчиняется законам диффузии (хаотического, необратимого движения) и от устройства этих молекул и самой мембраны зависит только один параметр – коэффициент этой диффузии. Законы диффузии приводят к тому, что на двумерной поверхности, чем и является мембрана, вероятность попадания молекулы в заданную область слабо зависит от размеров этой области, – говорит профессор Колоколов. – Это принципиальный момент, который, по-видимому, и есть основная причина того, что многие жизненно важные процессы в клетке происходят на внутренних мембранах, которые двумерны, а межмембранный объем служит, в основном, складом-резервуаром смеси нужных субстанций».

В работе приведены также результаты экспериментального наблюдения за процессом дистилляции в клетках, извлеченных из кровеносных сосудов пуповинной ткани человека. Полученные данные подтверждают теоретическую конструкцию, включая такую важную характеристику, как распределение растущих обогащенных кластеров по размерам.

«В нашей работе используется закон роста зародышей, который наглядно можно пояснить так: если в кипящем чайнике вы видите пузырь размером сантиметр, то доли секунды назад он же уже существовал, но имел  размер миллиметр, а сантиметровым не родился, – поясняет Игорь Колоколов. – Такого рода соображения, мастерски использованные в свое время Ильей Михайловичем Лифшицем и Виталием Валентиновичем Слезовым в кинетике фазовых переходов первого рода, оказываются весьма полезными и в нашей работе».

Таким образом статья позволяет сделать вывод о том, что эволюционно живые клетки «работают» в области оптимальных параметров, обеспечивающих максимальную эффективность процесса молекулярной реорганизации.

Результаты исследования представляют большой интерес с точки зрения медицинских приложений, поскольку дефекты процесса молекулярного переупорядочения связаны с многочисленными серьезными заболеваниями, включая онкологию. Создание достаточно универсального и обозримого описания, позволяющего определить параметры управления процессом – важный первый шаг, необходимый для выявления возможностей лечения.

Исследование также поддерживалось Итальянским институтом ядерной физики (INFN), колледжем Карло Альберто, Национальным исследовательским университетом Высшая школа экономики (ВШЭ) и Итальянским обществом исследования рака (AIRC).