Клетки - строительные блоки нашего тела - заключены в мембраны. То же самое касается специализированных отсеков внутри наших клеток.
Эти мембраны представляют собой чрезвычайно тонкие маслянистые пленки, содержащие белки и молекулы жира, называемые липидами. В течение десятилетий ученые спорили о том, как клеточные мембраны организуют и поддерживают отдельные области, обогащенные определенными типами белков и липидов. Считается, что эти области влияют на клеточную активность, например, на передачу сигналов, которые контролируют как нормальный клеточный рост, так и рост раковых клеток.
В статье, опубликованной 5 декабря в журнале Biophysical Journal, ученые из Вашингтонского университета впервые показали, что сложное распределение молекул внутри мембраны живой дрожжевой клетки возникает в результате расслоения. Разделение фаз, также известное как разделение фаз, представляет собой простой физический процесс, похожий на действие, при котором капли масла отделяются от уксуса в заправке для салата.
«У клеток есть набор инструментов с различными ресурсами, которые помогают им выполнять различные задачи», - говорит старший автор Сара Келлер, профессор химии UW. «Вместе с Алексом Мерцем, профессором биохимии Университета Вашингтона и экспертом по дрожжам, мы показали, что фазовое разделение является одним из инструментов формирования мембран и их функций в живой системе».
Исследователи Университета Вашингтона были вдохновлены фотографиями генно-инженерного штамма дрожжей, в которых флуоресцентно светились мембранные белки. Белки освещали внутриклеточные, связанные с мембраной компартменты, называемые вакуолями. Вакуоли выглядели как миниатюрные зеленые шарики с рисунком в темный горошек. Исследователи поняли, что эти точки в горошек выглядят почти идентично областям мембраны, возникающим в результате фазового разделения в двух типах неживых систем: простых искусственных мембранах, созданных в лаборатории, и мембранах, отделяющихся от клеток при сильном стрессе.
«Мембраны живых систем содержат множество различных типов жиров, белков и других молекул», - сказал соавтор Скотт Райерманн, преподаватель UW Tacoma, который проводил это исследование, когда он был докторантом UW по химии.. «Каждый из этих типов молекул обладает различными физическими и химическими свойствами, которые могут влиять на свойства мембраны в целом. Мы и другие группы выдвинули гипотезу, что такое разнообразие молекул позволит мембранам разделяться по составу на отдельные области."
Во-первых, ученые обнаружили, что точки в горошек, которые появляются на мембранах вакуолей, могут быстро сливаться. Такое поведение согласуется с жидкими фазами, точно так же, как капли в недавно взболтанной заправке для салата из масла и уксуса быстро сливаются при столкновении. Далее команда обнаружила, что разделение фаз в мембранах дрожжевых вакуолей зависит от температуры. Когда исследователи нагрели дрожжи выше 90 градусов по Фаренгейту, две жидкие фазы слились в одну - горошек исчез. Когда дрожжевые клетки снова охлаждали до комнатной температуры, снова появлялись области с разделенными фазами.
«Ученые никогда ранее не показывали, что жидкости с разделенными фазами могут сосуществовать в мембранах живых клеток», - сказал соавтор исследования Гленнис Райерманн, докторант по химии Университета Вашингтона. «Чтобы показать, что фазовое разделение происходит, нам нужно было надежно проследить распределение белков внутри мембран, показать, что они образуют области, как в искусственных системах, и что эти области будут сливаться в ответ на изменение условий окружающей среды».
Теперь, когда исследователи показали, что живые мембраны могут подвергаться фазовому разделению, необходима дальнейшая работа, чтобы показать, как клетки регулируют фазовое разделение. Это может быть связано с действием генов, условий окружающей среды или комбинации факторов.
«Наше открытие, что разделение фаз может управлять организацией мембран у дрожжей, позволяет предположить, что аналогичные процессы могут происходить и в других клетках, включая клетки человека», - сказал Мерц. «И снова мы видим силу модельных систем, таких как дрожжи, плодовые мушки и черви, в наших исследованиях фундаментальной физиологии. UW находится в авангарде генетики дрожжей и клеточной биологии уже более 60 лет».
«Здесь есть невероятный потенциал для раскрытия того, как различные типы клеток формируют и поддерживают уникальные структуры - и как разные структуры формируются даже внутри одной и той же клетки», - сказал Келлер..