Некоторые морские существа покрывают себя твердыми панцирями и шипами, а позвоночные строят скелеты из тех же минералов. Как эти животные получают кальций, необходимый им для создания прочных минеральных структур? Профессора Лия Аддади и Стив Вайнер из отдела структурной биологии Института науки Вейцмана задали этот вопрос о морских ежах, которым необходимо извлечь довольно много ионов кальция из морской воды, чтобы построить свои шипы. Ответ их удивил, и он мог изменить представление ученых о процессе биоминерализации.
Несколько лет назад Аддади и Вайнер обнаружили, что морские ежи строят свои шипы из крошечных пакетов «неорганизованного» материала, который затвердевает в кристаллы, когда их укладывают на место.«Итак, вопрос вернулся на шаг назад: как они получают ионы кальция, необходимые им для производства этого материала?» говорит Аддади. «В морской воде не так много свободного кальция, - добавляет Вайнер, - поэтому им нужен эффективный способ извлечения и концентрации ионов».
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователям, в том числе Нетте Видавски, понадобились методы наблюдения за клетками животного «как есть», то есть такими, какие они есть в жизни, включая воду. Для этого группа обратилась к доктору Андреасу Шертелю из Carl Zeiss Microscopy в Германии и доктору Сефи Аддади из Института наук о жизни Вейцмана. Совершенно новые передовые методы позволили им наблюдать тонкие срезы клеток эмбрионов морских ежей, а затем реконструировать трехмерные изображения этих клеток и поглощения ими меченых ионов кальция. «Даже несколько лет назад мы не смогли бы провести это исследование», - говорит Аддади.
Изображения показали, что клетки личинок морского ежа на самом деле «пьют» морскую воду, вбирая капли воды и манипулируя ионами в воде в пределах клетки. Это противоречит теории о том, что эти клетки принимают только ионы, по одному, через специальные каналы в их наружных мембранах. Клетки, которые они наблюдали, были заполнены сетью пузырьков, называемых вакуолями, которые собирают ионы кальция, очевидно, создавая концентрированные пакеты кальция для построения шипов.
Этот метод может быть более энергоэффективным, чем поглощение ионов через каналы (что также делали клетки), но он представляет другую проблему: клетки должны быть в состоянии выделить кальций, а также вытеснить другие ионы в морская вода, особенно натриевая и хлоридная. «Возможно, еще долгие годы исследователи будут заняты выяснением того, как эти клетки манипулируют ионами в морской воде, которую они пьют», - говорит Вайнер.
Аддади и Вайнер отмечают, что такое потребление ионов кальция наблюдается не впервые. Профессор Джонатан Эрез из Еврейского университета в Иерусалиме описал это явление у одноклеточных микроорганизмов с твердой оболочкой, называемых фораминиферами, десять лет назад. В то время это считалось «диковинкой», но обнаружение одного и того же процесса у двух очень разных существ предполагает, что он может быть довольно широко распространенным явлением. Хотя мы не живем в морской воде, даже клетки, из которых состоят наши кости, могут использовать аналогичный метод для получения кальция.