На поверхности триллионов наших клеток находится сложная толпа молекул, которые движутся, разговаривают друг с другом, время от времени разделяются и запускают базовые функции, начиная от ощущения боли и заканчивая выбросом инсулина.
Структуры, которые организуют эту микроскопическую пробку, больше не невидимы благодаря исследователям из Университета штата Колорадо. Междисциплинарная группа биофизиков и биохимиков, занимающихся изучением отдельных молекул, пролила свет на давно забытый клеточный процесс: взаимосвязь клеточной мембраны млекопитающих с каркасом под ней, актиновым цитоскелетом коры головного мозга. Впервые команда CSU провела наблюдения в режиме реального времени за этим цитоскелетом, выступающим в качестве барьера, который организует белки на поверхности клетки, фактически играя роль дорожного полицейского на деятельности клеточной мембраны.
Прорыв в визуализации и анализе этого наиболее фундаментального биологического процесса - того, как клеточная мембрана взаимодействует с внутриклеточной средой и контролирует клеточные функции, - был достигнут совместными усилиями лабораторий Диего Крапфа, доцента электротехнической и компьютерной инженерии и биомедицины. инженерии, и Майкл Тамкун, профессор биомедицинских наук Колледжа ветеринарной медицины и биомедицинских наук и биохимии Колледжа естественных наук. Исследование исследователей появится в следующем выпуске Physical Review X, первым автором которого является Саназ Садег, доктор философии. D. студент в лаборатории Крапфа.
В своем исследовании исследователи использовали мощную технологию визуализации сверхвысокого разрешения, называемую фотоактивируемой локализационной микроскопией (PALM), которая, преодолев естественный дифракционный предел света, позволяет ученым делать четкие снимки и видео биологических процессов в наномасштабе.. Микроскопия сверхвысокого разрешения была удостоена Нобелевской премии по химии в 2014 году.
Исследователи CSU сосредоточились на движении ионных каналов калия, типа белка, критического для клеточных функций на клеточной поверхности, и на том, как эти ионные каналы взаимодействуют с кортикальным актиновым цитоскелетом. Цитоскелет представляет собой паутинную сеть нитей прямо под клеточной мембраной, которая придает клетке некоторую форму и структуру. Ученые ранее предполагали, что цитоскелет играет решающую роль, помогая мембранным белкам, которые усеивают клеточную поверхность, организовывать себя и передавать сигналы для поддержания здоровья и функционирования клетки. Но визуально зафиксировать это актин-белковое взаимодействие в живых клетках было невозможно.
«Белки на поверхности клетки, как ионные каналы, имеют большую массу, которая свисает в клетку», - объяснил Тамкун. «Это та внутриклеточная масса, которая сталкивается с актиновой сетью».
Используя специально разработанный микроскоп сверхвысокого разрешения, исследователи сняли видеоролики, запечатлевшие точные моменты, когда ионные каналы сталкивались с актиновой сетью. Более того, они провели статистический анализ этих движений, чтобы получить доказательства наличия ключевых структурных элементов актина. Корковая актиновая сеть в клетке представляет собой фрактал, что означает, что она структурно подобна в различных масштабах длины.
«Фрактальная природа актиновой сети объясняет наши измерения», - сказал Садех. «Это заставляет нас задаться вопросом, почему мы видим так много фракталов в природе. Является ли это эффективным способом организации функций? Это интересный вопрос для будущих исследований».
Проведенный исследователями CSU анализ показал, что случайные движения белков клеточной мембраны демонстрируют сложные закономерности. Среди их наблюдений было то, что белки имеют тенденцию возвращаться в места, которые они ранее посещали. Впервые исследователи CSU представили статистические и визуальные доказательства того, что этот отскок напрямую вызван фрактальной природой актина.
По словам Крапфа, главной технической задачей было получение изображений с высоким разрешением за очень короткие промежутки времени. «Если мы подождем 10 секунд, цитоскелет клетки изменится, поэтому нам нужно быстро его отобразить. Мы использовали двухсекундные интервалы, и в течение этих секунд нам нужно было получить достаточно высокое пространственное разрешение, чтобы увидеть столкновения между отдельными мембранными белками и структура актина."
Исследователи хотят понять все о клеточной мембране, потому что именно так клетка общается с внешней средой, и это может быть ключом к прогрессированию болезни и другим аспектам здоровья человека.«Для нас важно понять, как клетка организует свою мембрану, чтобы вещи оставались там, где они должны быть», - сказал Садех. Она предположила, что будущие исследования могут быть сосредоточены на конкретных участках мембраны - например, там, где происходит эндоцитоз, - и на том, как актиновая сеть регулирует локальную активность.