Не только мышечные клетки, но и все другие типы клеток постоянно генерируют силы в организме человека. Междисциплинарное сотрудничество биологов и физиков, в том числе исследователя из Гейдельберга профессора доктора Ульриха Шварца, теперь позволило провести измерения клеточных сил с высоким разрешением, используя свет для их включения и выключения контролируемым образом. Ученые из университетов Гейдельберга и Чикаго (США) с помощью оптогенетики и математического моделирования определили центральную молекулу в клеточной механике. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature Communications."
Мышечные клетки, сокращающиеся в ответ на внешний сигнал, необходимы для перекачивания крови по телу или для движения частей тела. Тем не менее, все другие типы клеток в нашем теле постоянно генерируют силы, которым помогают мышечные структуры, присутствующие в каждой клетке человека. Клетки используют эти силы, чтобы ощущать механические изменения в окружающей их среде, что играет важную роль, например, в заживлении ран. Клеточные мышцы также активируются во время клеточного деления и движения клеток.
Ульрих Шварц, научный сотрудник Центра BioQuant, а также Института теоретической физики Гейдельбергского университета, уже некоторое время работает над измерением клеточных сил. «Роль механических сил в поведении биологических клеток долгое время игнорировалась, но затем за последние два десятилетия она стала быстро растущей областью исследований, известной теперь как механобиология», - утверждает профессор Шварц. Его исследовательская группа разрабатывает компьютерные алгоритмы для расчета клеточных сил на основе деформаций, которые они создают в окружающей среде. На основе этой информации создаются математические модели клеточной механики.
«Для достижения высокой точности измерения сил, генерируемых клетками, клетки необходимо изучать на плоской поверхности. Однако даже в этом случае силы не могут генерироваться таким контролируемым образом, как в человеческом теле», - объясняет Проф. Шварц. Экспериментальные исследовательские группы профессора доктора Майкла Глотцера и профессора доктора Маргарет Гардель из Чикаго смогли помочь. Они разработали новый оптогенетический метод управления клеточными силами с помощью света. Затем профессору Шварцу и трем членам его исследовательской группы удалось проанализировать данные из Чикаго с помощью специально разработанных алгоритмов.
Их математическая оценка привела исследователей к удивительному открытию. «Мы изучили роль различных молекул в генерации и передаче силы и обнаружили, что для этих процессов необходим определенный ремонтный белок, называемый зиксином», - продолжает профессор Шварц. «Это говорит о том, что клетка постоянно вызывает механический разрыв самой себя, подобно расстегиванию молнии под действием силы. Только благодаря постоянному восстановлению клетка может сохранить эластичные свойства, которые так важны для ее функционирования».