Биофизический мир внутри переполненной клетки

Инновации в области визуализации и генной инженерии объединяются для изучения биофизики цитоплазмы внутри живых организмов. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Это знакомая картина, многократно повторяющаяся в бесчисленных учебниках по биологии: иллюстрация типичной клетки, разрезанной пополам, как грейпфрут, чтобы показать ее внутреннее строение. Нити эндоплазматического ретикулума окружают ядро, плавающее в центре, словно плот. Молекулы РНК терпеливо ждут у рибосом, чтобы передать им инструкции по синтезу белков. Несколько вакуолей и аппаратов Гольджи покачиваются на поверхности. Почти пустой цитозоль служит пустым фоном. Это сцены спокойного, упорядоченного порядка, как если бы клетка была аккуратной фабрикой, где рабочие индивидуально выполняют свои задачи.

Выбросьте эту картину из головы прямо сейчас: клетки совсем не спокойны и не умиротворяющи. Если бы вы оказались в клетке, вы бы чувствовали себя как танцор в переполненном ночном клубе, постоянно толкаемый соседями.

За последние несколько лет, благодаря впечатляющим достижениям в области визуализации и генной инженерии, ученые впервые смогли наблюдать и измерять плотность внутри клеток живых организмов. Эксперименты выявили более динамичное и плотное пространство, чем кто-либо ожидал, и являются последним доказательством того, что клетки активно регулируют свою внутреннюю плотность для оптимизации химических реакций, необходимых для жизни.

Упаковка молекул в крошечные пространства отнюдь не является биофизической случайностью, а, как выясняется, представляет собой фундаментальный способ, с помощью которого клетки эволюционировали, используя законы физики для объединения молекул в рамках примерно 1 миллиарда биохимических реакций, происходящих каждую секунду в каждой клетке нашего организма.

«В не очень многолюдном баре или ночном клубе вы, возможно, ни с кем не заговорите и ни с кем не потанцуете», — говорит Лиам Холт, клеточный биолог из медицинского центра Лангоне Нью-Йоркского университета. «Но в полночь, когда бар переполнен, у вас больше шансов поговорить или потанцевать с кем-то рядом. Но если вы увидите кого-то на другом конце зала, подойти к нему будет сложнее».

Новые результаты опровергают ожидания ученых, поднимая вопросы о том, как именно молекулы могут взаимодействовать со своими реактивными партнерами в переполненном, тесном пространстве — и, следовательно, как клетки вообще могут функционировать.

Биофизический острый край

Клетки могут быть биологическими организмами, но они не застрахованы от действия законов физики. В своей книге 1944 года «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» квантовый физик Эрвин Шрёдингер утверждал, что живые организмы, как и их неживые аналоги, должны подчиняться физическим законам. Его видение с тех пор вдохновляет физиков и биологов, занимающихся биологическими исследованиями.

Однако изучение физики эукариотических клеток — тех, из которых состоят наши тела и тела других многоклеточных организмов — представляло собой сложную задачу: как изучать отдельную клетку, расположенную глубоко внутри тела человека, мыши или даже простого червя?

Сначала учёные обходили эту проблему, извлекая клетки из человеческих и животных и выращивая их в пробирках или чашках Петри. Ранние исследования указывали на то, что клетки подвержены феномену «Златовласки»: они функционируют лучше всего, когда их цитоплазма — всё, что заключено в клеточной мембране, включая органеллы, молекулярные структуры, такие как рибосомы, и гелеобразный цитозоль с растворёнными в нём молекулами — имеет определённый уровень скученности, но не слишком большой. В 1980-х годах группа исследователей обнаружила, что если немного разбавить цитоплазму, извлеченную из лягушачьих яиц, жизненно важные биохимические реакции, такие как митоз и репликация ДНК, прекращаются. Другие исследования показали, что перенаселённость может быть столь же катастрофической, вызывая остановку химического механизма жизни.

Клетки постоянно расходуют энергию, чтобы перемешивать вещества, поддерживать текучесть цитозоля и стимулировать столкновения и реакции молекул чаще, чем это происходило бы при простой диффузии. Тем не менее, клеточная жизнь, похоже, балансирует на грани. Если бы клетки были менее плотно расположены, молекулы бесцельно блуждали бы и лишь изредка встречались бы со своими партнерами в химических реакциях, обеспечивающих жизнь — метаболизме, синтезе белка, росте, делении и т. д. В такой ситуации клеточная жизнь бы зачахла. Если же, наоборот, клетки были бы гораздо более плотно расположены, молекулы застряли бы на месте, неспособные двигаться, не говоря уже о встрече со своими партнерами по реакции. Жизнь бы остановилась.

По словам Холта, в процессе эволюции, похоже, был достигнут тонкий баланс между перенаселенностью и недонаселенностью, при этом крупные молекулы, такие как рибосомы, обычно составляют от 30% до 40% объема растворенных макромолекул в цитозоле. «Похоже, что большая часть биологии настроена на очень похожий уровень перенаселенности». Но для подтверждения этой точки зрения исследователям необходимо найти способ отслеживать молекулы, перемещающиеся внутри клетки. Им понадобится трассер подходящего размера.

Контроль толпы

Понятие «теснота» относительно. Если человеку может быть трудно передвигаться по воображаемому Холтом клубу в полночь, то кошке или мыши там не будет слишком тесно. Для изучения скученности в клетках биологам нужна была молекула-индикатор того же размера — метка, примерно равная по размеру крупным молекулам, участвующим в большинстве клеточных реакций.

В середине 2010-х годов Холт представил генетически закодированные мультимерные наночастицы, или ГЭМ, которые представляют собой встречающиеся в природе сферические белки диаметром около 40 нанометров — примерно такого же размера, как рибосомы, молекулярные машины, которые строят белки. Используя генную инженерию, исследователи могут украшать поверхности ГЭМ светящимися зелеными флуоресцентными метками, а затем отслеживать их перемещение в цитоплазме клетки под микроскопом.

В 2018 году этот подход позволил Холту и его коллегам получить новые данные о том, как клетки справляются с перенаселенностью. Они поместили ГЭМ-частицы внутрь дрожжевых и человеческих клеток в культуре и измерили, сколько времени требуется частицам для проникновения через различные участки клетки. Как ни странно, в клетках, выращенных в различных питательных условиях, перенаселенность всей клетки, казалось, менялась. «Это заставило меня задуматься, что же происходит», — сказал Холт.

Он предположил, что в этом замешан mTORC1. mTORC1, главный сенсор питательных веществ в эукариотических клетках, является основным регулятором роста клеток; в зависимости от уровня питательных веществ он может увеличивать производство рибосом для более быстрого синтеза белков. «Скорость роста организмов в основном ограничена количеством производимых ими рибосом», — сказал Холт. Действительно, когда его команда химически подавила mTORC1, концентрация рибосом снизилась, и GEM-белки стали гораздо легче перемещаться по цитоплазме.

Дальнейшие эксперименты показали, что клетки могут использовать рибосомы — одну из самых распространенных молекул в клетке — и генетические пути, регулирующие их, для контроля над своими молекулярными структурами. Холт называет mTORC1 «динамическим регулятором физических свойств цитоплазмы».

Работа команды Холта о том, как клетки управляют своей внутренней средой, вдохновила на дальнейшие эксперименты. Статья, на которую сейчас ссылаются почти 500 раз, оказала «невероятное влияние», — сказал Арохан Субраманья, клеточный биолог из Университета Питтсбурга. Холт показал, что «рибосомы действуют как естественные агенты скученности».

В результате образуется биохимическая система, в которой плотность цитоплазмы отражает рост и здоровье клетки, — сказал Холт. «Если организмы быстро растут и находятся в идеальных условиях, они насыщают свою цитоплазму очень высокой концентрацией рибосом».

Однако его команда сделала свое открытие на одноклеточных дрожжах и культивируемых клетках человека. Биофизик Г. У. Гант Лукстон хотел выяснить, следуют ли клетки тем же правилам в более сложной среде живого многоклеточного организма.

Переполненный

Летом 2018 года Лакстон и Холт встретились за чашкой кофе во время визита в Морскую биологическую лабораторию в Вудс-Холе, штат Массачусетс. Лакстону потребовалось всего несколько минут, чтобы понять, как использовать GEM-частицы Холта в своей работе, но ему понадобилась дополнительная помощь. Он связался со своим коллегой, генетиком Даниэлем Старром, чтобы узнать, не заинтересует ли его внедрение этих частиц в Caenorhabditis elegans, микроскопического червя. Важно отметить, что этот универсальный модельный организм прозрачен, что позволяет биологам наблюдать экспериментальную флуоресценцию, например, ту, которая излучается GEM-частицами.

Старр ответила утвердительно. После получения финансирования на проект, Лакстон перевел свою лабораторию в Калифорнийский университет в Дэвисе, создав лабораторию Старра-Лакстона. Лакстону и Старру потребовались месяцы, чтобы заставить червей производить ГЭМ-частицы, и годы, чтобы понять, как получать изображения и анализировать данные. Но в конце концов они смогли увидеть и измерить частицы, светящиеся в клетках кишечника и кожи червей.

Попав внутрь клеток, частицы почти не двигались. Измерения показали, что цитоплазма червя была примерно в 50 раз более насыщена рибосомами, чем цитоплазма культивируемых клеток Холта. Сначала аспирант, проводивший эксперименты, подумал, что допустил ошибку.

«Это просто поразило меня», — сказал Лакстон. «Почему эти зонды не двигаются?»

Другой аспирант заметил, что, хотя культивированные клетки имели консистенцию меда, более густая цитоплазма червя напоминала «клубничное варенье».

«Это был очень неожиданный результат», — сказал Холт, соавтор статьи, опубликованной в сентябре 2025 года в журнале Science Advances. «Я никогда не видел ничего столь впечатляющего, как в эпителии червя».

Для Лакстона этот результат сразу же вызвал вопросы. Во-первых, если внутренняя структура живых клеток густая, как варенье, как та или иная молекула может перемещаться настолько, чтобы встретиться с другой молекулой, с которой ей нужно вступить в реакцию? «Я не понимаю, как вообще что-либо может что-либо найти», — сказал он.

Исследователи также заметили, что GEM-клетки, казалось, застревали в определенных областях клетки. Но когда команда Лукстона и Старра нарушила функционирование крупного белка ANC-1, который действует как каркас внутри клеток, GEM-клетки начали двигаться. Это говорит о том, что клетки выработали множество механизмов для управления скученностью в цитоплазме.

«Представьте клетку как коробку, а рибосомы — как упаковочный наполнитель», — сказал Лакстон. «Вы можете изменить плотность заполнения с помощью этого наполнителя… но вы также можете изменить размер коробки. Похоже, что ANC-1 контролирует этот аспект».

«Это показывает, что существуют совершенно разные способы контроля скученности», — продолжил он. «Клетки в тканях могут в гораздо большей степени зависеть от пространственной организации — компартментализации, каркаса, каналов для субстратов между ферментами — чем мы предполагаем, изучая клетки в культуре».

Новое подразделение

После публикации статьи об ANC-1, Лукстон и его команда поместили GEM-молекулы в нейроны червей и другие типы клеток, включая больные и стареющие, чтобы собрать базовые данные о цитоплазматических биофизических свойствах различных тканей. «Мы создаем атлас червей», — сказал он. Вместе с коллегой они также начали помещать GEM-молекулы в рыбок зебра, еще один распространенный модельный организм. Они обнаружили различные уровни плотности внутри клеток, что усложняет представление Холта о том, что клетки предпочитают заполнять молекулами от 30% до 40% своего объема. Исследование подчеркивает важность подтверждения результатов клеточных культур на живых организмах, которые функционируют в других условиях.

«Клетки нашли разные способы справляться с постоянным скоплением клеток», — сказал Лакстон. «Действительно важно, где именно вы смотрите, и не все ткани одинаковы».

Холт согласен. «Вместо одного универсального оптимального уровня скученности, по-видимому, разные типы клеток и тканей настраивают свою скученность в соответствии со своими конкретными потребностями», — сказал он. Логично предположить, что, например, мышечная клетка, которой необходимо многократно сокращаться и расслабляться, будет иметь иные механические свойства, чем жировая клетка, основная задача которой — хранение энергии.

Другое направление исследований включает в себя размещение ГЭМ в органоидах — трехмерных структурах, выращенных в лаборатории, которые могут имитировать различные ткани и органы. Поскольку органоиды являются трехмерными, Лукстон считает, что они лучше имитируют живых животных, чем клетки, плавающие в пробирках. Он и его коллеги помещают ГЭМ в органоиды рака поджелудочной железы и ищут биофизические различия, которые можно было бы использовать для различения раковых клеток от здоровых.

Ученые давно знают, что раковые клетки физически отличаются от других типов клеток. «Рак — это пример того, как происходят значительные механические изменения», — сказал Холт. «Чтобы обнаружить опухоль, нужно искать уплотнение — большую клеточную массу, чем должна быть. Это как накачать воздух в шину. Клетки сжимаются; они становятся более тесными». Это, по его мнению, изменяет их биофизические свойства.

Сейчас наступило захватывающее время, когда инновации в биофизике, микроскопии и генной инженерии объединились, чтобы открыть новую область в рамках многовековой науки о клетках.

«Это что-то вроде ящика Пандоры, — сказал Лакстон. — Каждый раз, когда мы рассматриваем разные ткани, мы видим то, чего совсем не ожидали».

Источник: www.quantamagazine.org