Под микроскопом цитоплазма клетки может напоминать крошечную подводную версию Таймс-сквер в Нью-Йорке: тысячи белков роятся в водной среде цитоплазмы, соединяясь и распадаясь, как цитоскелетный флешмоб.
Органеллы, такие как митохондрии и лизосомы, должны пересекать это переполненное, постоянно меняющееся цитоплазматическое пространство, чтобы доставлять материалы в различные части клетки.
Теперь инженеры из Массачусетского технологического института обнаружили, что эти органеллы и другие внутриклеточные компоненты могут испытывать окружающую цитоплазму как очень разные среды во время своего путешествия. Например, ядро клетки может «ощущать» цитоплазму как жидкость, похожую на мед, в то время как митохондрии могут воспринимать ее как зубную пасту.
Команда под руководством британца Минг Го и Алекса д'Арбелоффа, доцента по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института, обнаружила, что органелла испытывает определенное сопротивление в цитоплазме, в зависимости от размера этой органеллы и скорости при котором он движется через ячейку. В частности, эти характеристики определяют, насколько легко он может отталкиваться от воды, окружающей цитоплазму, и перемещаться по своей постоянно меняющейся паутине белковых структур цитоскелета.
Некоторым органеллам, возможно, придется работать усерднее, чтобы пройти через цитоплазму, и поэтому они могут испытывать большее сопротивление. Исследователи обнаружили, что сопротивление, которое может ощущать любая крупная органелла, колеблется от сопротивления вязкой жидкости до упругого эластичного твердого тела.
Гуо и его коллеги составили фазовую диаграмму, чтобы описать тип материала, на который цитоплазма будет похожа с точки зрения органеллы, учитывая размер и скорость органеллы.
«Наша главная цель состояла в том, чтобы дать наиболее фундаментальное представление о живых клетках как о материале, - говорит Го. «С помощью этой фазовой диаграммы, если вы сообщите мне размер и скорость, с которой движется органелла, я могу сказать вам, какую механическую среду она видит».
Результаты, опубликованные на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, могут помочь в разработке фармацевтических препаратов. Например, с помощью фазовой диаграммы ученые могут адаптировать размер лекарства, чтобы позволить ему перемещаться внутри клетки с определенной легкостью.
«Лекарство диаметром 100 нанометров будет ощущать совсем другое сопротивление, чем лекарство диаметром 500 нанометров», - говорит Го. «Это может помочь понять, как лекарство доставляется и транспортируется внутри клетки».
Ведущий автор исследования - Джилян Ху, бывший приглашенный студент Массачусетского технологического института, который этой осенью присоединится к лаборатории Гуо в качестве аспиранта. Среди других соавторов Юлонг Хань, постдоктор в лаборатории Го; и Алан Гродзинский, профессор биологической инженерии, электротехники, информатики и машиностроения в Массачусетском технологическом институте; вместе с Сомайе Джафари и Шэнцян Цаем из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Какая дрянь
Большинство ученых, изучающих транспорт материалов внутри клетки, сосредоточились на движущих силах этого транспорта, а именно на молекулярных двигателях, семействе биологических агентов, которые активно преобразуют энергию клетки в механическую работу для перемещения груза по клетке..
«Но как инженеры-механики, мы считаем, что движущая сила является не единственной частью этого процесса транспортировки, но сопротивление окружающего материала на самом деле не менее важно», - говорит Го. «Например, не только ваша собственная энергия определяет то, как вы двигаетесь сквозь толпу - механическое сопротивление самой толпы также может влиять на ваше движение."
В случае с живыми клетками Го задался вопросом, будет ли окружающая цитоплазма оказывать аналогичный эффект скопления на движение основных органелл, таких как митохондрии и лизосомы.
Чтобы проверить свою гипотезу, он и его коллеги провели эксперименты на живых клетках млекопитающих, в которые они вводили крошечные пластиковые шарики размером от 0,5 до 1,5 микрон - диапазон, который охватывает большинство основных органелл. Затем они перетаскивали каждую бусину через клетку с помощью оптического пинцета - техники, в которой используется высокосфокусированный лазерный луч для физического перемещения микроскопических объектов.
Исследователи ловили и тянули каждую бусину к краю клетки с постоянной скоростью и измеряли силу, необходимую для протаскивания бусинки на определенное расстояние. Они интерпретировали эту силу как механическое сопротивление окружающей цитоплазмы.
Затем они предположили, что механическое сопротивление цитоплазмы происходит из двух основных источников: пороупругости и вязкоупругости. Пороэластичность возникает из-за того, насколько быстро цитоплазма может рассеивать воду из области. Группа пришла к выводу, что чем более пороэластична цитоплазма, тем больше усилий необходимо приложить такому объекту, как органелла, чтобы вытолкнуть воду со своего пути.
Вязкоупругость в контексте цитоплазмы - это скорость изменения конфигурации ее цитоскелета или сети белков. Цитоскелет клетки служит своего рода каркасом, сделанным из тысяч белков, которые постоянно собираются, разбираются и снова собираются. Эта динамическая сеть может ощущаться как как упругое тело, так и как вязкая жидкость. Чем быстрее цитоскелет перестраивается, тем более он похож на жидкость. Исследователи пришли к выводу, что органелла будет чувствовать меньшее сопротивление при движении через более текучий, часто меняющийся цитоскелет.
Все дело в перспективе
Гуо и его коллеги проанализировали результаты своих экспериментов и обнаружили, что размер и скорость шарика связаны с типом сопротивления, с которым он сталкивается, когда его перетаскивают через клетку. В целом, чем крупнее шарики, тем больше они встречают пороупругого сопротивления, поскольку большие шарики с большей площадью поверхности должны сталкиваться с большим количеством воды, чтобы пройти через них.
С другой стороны, чем быстрее волочили бусину, тем сильнее она встречала твердое сопротивление. Как объясняет Гуо, «чем быстрее вы двигаетесь, тем более постоянные [цитоскелетные] структуры вы видите и чувствуете сопротивление».
Исследователи составили свою фазовую диаграмму на основе результатов своих экспериментов. Затем они просмотрели научную литературу на предмет измерений скорости и размера реальных органелл в живых клетках, сделанных другими. Они нанесли эти измерения на диаграмму и обнаружили, что, учитывая их размер и скорость, эти органеллы должны испытывать ряд сопротивлений внутри цитоплазмы.
"Если вы спросите ядра, они скажут вам, что цитоплазма подобна меду, потому что они действительно большие и медленные, и они не чувствуют структур цитоскелета - они только чувствуют вязкий разобранный белковый раствор, и очень маленькое сопротивление», - говорит Гуо.«Но митохондрии сказали бы, что это как зубная паста, потому что они меньше и быстрее, и иногда блокируются этими постоянно меняющимися структурами. Лизосомы, которые еще меньше и быстрее, сказали бы вам, что цитоплазма на самом деле желе-O, потому что они двигаясь так быстро, они постоянно отскакивают от этих структур и встречают сопротивление, как резина. Поэтому их взгляды ограничены их собственными размерами и скоростью."
Го надеется, что ученые будут использовать фазовую диаграмму группы, чтобы охарактеризовать другие клеточные компоненты, чтобы понять, как они видят свое цитоплазматическое окружение.
«Люди могут использовать другие параметры, чтобы узнать, к какому разделу фазовой диаграммы должны принадлежать различные органеллы», - говорит Го. «Это скажет вам, какой отчетливый материал они почувствуют».