Флотилии микроскопических машин трудятся в ваших клетках, выполняя важные биологические задачи и поддерживая вашу жизнь. Объединив теорию и эксперимент, исследователи обнаружили удивительный способ, которым одна из этих машин, называемая шпинделем, избегает замедления: перегрузки..
Веретено делит хромосомы пополам во время клеточного деления, гарантируя, что обе дочерние клетки будут содержать полный набор генетического материала. Веретено состоит из десятков тысяч жестких полых трубок, называемых микротрубочками, соединенных биологическими моторами.
Микротрубочки продвигаются вперед только тогда, когда они соединены с соседними трубочками, направленными в противоположном направлении. Предыдущие наблюдения, однако, показали, что микротрубочки летают на полной скорости, даже если они связаны только с соседями, обращенными в ту же сторону. В новой статье, опубликованной 2 сентября в журнале Nature Physics, исследователи дают ответ на эту загадку. Микротрубочки настолько переплетены друг с другом, что даже те, которые активно не запущены вперед, на полной скорости увлекаются толпой.
«Это похоже на пешеходный переход в Нью-Йорке», - говорит ведущий автор исследования Себастьян Фюртхауэр, научный сотрудник Центра вычислительной биологии Института Флэтайрона (CCB) в Нью-Йорке. «Люди, идущие разными путями, перемешаны друг с другом, но все они могут двигаться на полной скорости и плавно проходить мимо друг друга».
Выводы помогут ученым лучше понять клеточный механизм, который разделяет хромосомы во время клеточного деления, и почему этот процесс иногда идет не так, как надо. По словам Фюртхауэра, если веретено неправильно выполняет свою работу, оно может привести к таким ошибкам, как отсутствующие или лишние хромосомы, которые могут привести к таким осложнениям, как бесплодие и рак.
Фюртхауэр и директор CCB Майкл Шелли, прикладные математики, работали над проектом вместе с междисциплинарной группой биологов-экспериментаторов и физиков из Гарвардского университета, Массачусетского технологического института, Университета Индианы и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре..
Одна из всеобъемлющих целей биофизики состоит в том, чтобы связать активность мелкомасштабных компонентов с крупномасштабной динамикой клеток и организмов. Свойства основных узлов шпинделя изучены относительно хорошо. Микротрубочки представляют собой длинные жесткие полимерные стержни, похожие на соломинки для питья, каждая из которых имеет «минус» и «плюс» конец. Молекулярные моторы зацепляются за микротрубочки и перемещаются по ним с помощью пары молекулярных «ножек». Кинезиновые моторы, например, имеют две пары ножек, по одной на каждом конце. Молекулы кинезина могут прикрепляться к двум разным микротрубочкам, при этом каждая пара ножек идет от отрицательного конца к положительному концу каждой микротрубочки.
Если положительный и отрицательный концы обеих микротрубочек выровнены, две пары ножек идут в одном направлении, и микротрубочки не двигаются друг относительно друга. Если микротрубочки не выровнены, ножки движутся в противоположных направлениях, заставляя микротрубочки скользить друг относительно друга. Коллективное движение всех микротрубочек определяет рост и форму веретена.
Предыдущие исследования в основном были сосредоточены на ситуациях, когда двигателей не хватало. Ученые предположили, что это точное представление того, что происходит в реальных клетках. В таком сценарии движение микротрубочки будет зависеть от ориентации ее соседей. Микротрубочки, выровненные со своими соседями, останутся на месте, в то время как те, которые бросят вызов толпе, устремятся вперед.
Настоящие шпиндели, однако, не демонстрируют такого ожидаемого поведения. Микротрубочки, окруженные обращенными в ту же сторону соседями, по-прежнему движутся с полной скоростью. Так что же толкает их вперед?
Fürthauer и его коллеги исследовали, как микротрубочки будут коллективно двигаться, если система будет заполнена большим количеством моторов, что приведет к множеству соединений между микротрубочками. Они разработали математическую теорию того, как механические напряжения возникают в коллективе, когда микротрубочки толкаются и притягиваются друг к другу многочисленными моторами.
Их теория предсказывает, что микротрубочки выстраиваются в линию, причем каждая микротрубочка обращена в одном из двух противоположных направлений. Когда микротрубочки противоположной ориентации смешиваются, они продвигаются вперед, как и ожидалось. Теория утверждает, что микротрубочки в других местах настолько переплетены со своими соседями, что их тоже тянет за собой. Таким образом, каждая микротрубочка движется точно со скоростью моторов ходьбы, независимо от ее места в толпе.
Эксперименты, проведенные исследователями с использованием микротрубочек и многочисленных кинезиновых двигателей, подтвердили эти предсказания. Кроме того, теория и эксперименты соответствовали веретенам реального мира: в яйцах африканских когтистых лягушек микротрубочки в веретенах движутся примерно с той же скоростью, что и моторы, соединяющие их.
Поведение веретена лягушки «очень наводит на мысль, что реальная биология живет в режиме, который мы наблюдаем в наших экспериментах», - говорит Фюртхауэр. «С этим новым пониманием мы можем теперь спросить: как мы можем построить веретено? Можем ли мы воссоздать эту сложную биологическую машину с помощью компьютерного моделирования или даже в пробирке?» Он и его коллеги надеются, что они станут ближе.