Клетки обладают внутренним скелетом, что позволяет им изменять свою форму и активно мигрировать. Этот «цитоскелет» состоит из ряда систем филаментов, одной из которых являются микротрубочки. Как следует из названия, микротрубочка представляет собой цилиндр. Его стенка состоит из 13 протофиламентов, каждая из которых состоит из гетеродимерных субъединиц, содержащих два родственных белка тубулина. Микротрубочки не только придают клеткам механическую стабильность и помогают определять их формы, они также служат внутриклеточной транспортной сетью.
Кроме того, микротрубочки являются основными составляющими митотического веретена, которое обеспечивает упорядоченную сегрегацию реплицированных наборов хромосом в две дочерние клетки во время клеточного деления. Все эти функции требуют динамической регуляции длины микротрубочек. Группа физиков LMU под руководством профессора Эрвина Фрея в сотрудничестве с профессором Стефаном Диезом (Технический университет Дрездена и Институт молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка, Дрезден) разработала модель, в которой моторные белки, ответственные за транспортировка грузов по протофиламентам также служит для регулирования длины микротрубочек. Модель описана и экспериментально подтверждена в журнале Physical Review Letters.
В более ранней работе группа Фрея показала, что плотность молекулярных моторов, прикрепленных к филаментам, влияет на рост или сжатие микротрубочек, и что их действие зависит от длины рассматриваемого филамента. Чем длиннее микротрубочка, тем большее количество моторных белков она может вместить. Моторные молекулы, называемые кинезинами, движутся вдоль протофиламента, переходя от одного димера к другому. Когда кинезиновый белок достигает конца, он отрывается от нити, захватывая с собой тубулин, с которым он связан. Следовательно, если плотность мотора на протофиламенте высока, усадка будет продолжаться.
С другой стороны, новый димер тубулина может связываться с концом. Таким образом, в конце моторно-зависимая усадка конкурирует с ростом микротрубочек. «Следовательно, если предположить, что ресурсы (т. е. как тубулины, так и молекулярные моторы) присутствуют в доступе, будет существовать длина филамента, при которой скорость роста и усадки уравновешиваются», - говорит Матиас Ранк, первый автор исследования. Однако в реальной клетке эти компоненты вряд ли будут доступны в неограниченных количествах. Например, образование митотического веретена значительно истощает количество свободных молекул тубулина в растворимой фазе цитоплазмы. В новом исследовании исследователи изучили влияние такого ограничения ресурсов на регуляцию длины микротрубочек.
Используя моделирование, основанное на математической модели динамики полимера, они обнаружили, что в этих условиях вступают в действие два различных механизма регулирования длины. Какой из них становится доминирующим, зависит от относительных концентраций тубулинов и моторных белков: в определенном диапазоне концентраций динамическое равновесие между ростом и сокращением микротрубочек действует так, как если бы ресурсы не были лимитирующими. «Но все обстоит иначе, когда одного из необходимых ресурсов не хватает», - говорит Ранк. «Это происходит, например, когда недостаточно моторных молекул для запуска быстрой деполимеризации протофиламентов». В этой ситуации микротрубочки продолжают расти до тех пор, пока концентрация тубулинов не упадет ниже критического значения. Кроме того, существует диапазон концентраций, в котором активны оба процесса. «В этом случае мы наблюдаем, что микротрубочки бывают двух размеров и иногда меняются между двумя длинами», - говорит Фрей. «В физических терминах это можно описать как фазовый переход». Эксперименты in vitro, проведенные их соавтором в Дрездене, подтвердили существование этого переходного режима, предсказанного мюнхенской моделью. Команда убеждена, что их результаты применимы и к другим полимерным системам, и подозревают, что ограничение ключевых ресурсов может играть важную роль в регуляции других клеточных процессов.