Вы знаете, что у вас есть скелет, но знаете ли вы, что у ваших клеток тоже есть скелет? Клеточные скелеты, или цитоскелеты, представляют собой меняющие форму сети крошечных белковых нитей, позволяющие клеткам двигаться, переносить груз и делиться. Теперь междисциплинарная группа исследователей из Калифорнийского технологического института разработала способ изучения и управления цитоскелетом в пробирках в лаборатории. Понимание того, как клетки контролируют движение, однажды может привести к созданию крошечных роботов, созданных на основе биотехнологий, для терапевтических целей. Работа также способствует разработке новых инструментов для управления жидкостями в очень малых масштабах, имеющих отношение к молекулярной биологии и химии.
Работа описана в статье, опубликованной в номере журнала Nature от 8 августа.
Строительные блоки клеточного цитоскелета представляют собой тонкие трубчатые нити, называемые микротрубочками, которые вместе могут образовывать трехмерные каркасы. Каждая микротрубочка в 1000 раз тоньше человеческого волоса и всего около 10 микрометров в длину (примерно в 1000 раз меньше, чем обычный черный муравей). Наряду с моторными белками, которые обеспечивают движение, эти невероятно маленькие структуры объединяются, чтобы приводить в движение относительно большую клетку, подобно муравьям, управляющим и приводящим в действие автомобиль.
В предыдущих исследованиях исследователи извлекли эти молекулы из клетки и поместили их в пробирки, где канальцы и моторные белки спонтанно группируются вместе, чтобы организовать себя в звездообразные структуры, называемые звездами. Однако до сих пор неясно, как астры в пробирке связаны с цитоскелетом, обеспечивающим движение клеток. Более того, коллективная организация микротрубочек, демонстрируемая при формировании звездочки, включает взаимодействие сил, которые до конца не изучены.
"Мы хотели знать: как перейти от этих спонтанно формирующихся звездных структур в лаборатории к клетке, контролирующей ее движение? И как мы можем контролировать эти молекулы, как это делает клетка?" - говорит аспирант Тайлер Росс, первый автор исследования.
Во главе с Россом группа исследователей из Калифорнийского технологического института исследовала, как манипулировать составляющими филаментами и моторными белками за пределами естественной среды клетки. В пробирках они соединили моторные белки с активируемыми светом белками, естественным образом присутствующими в растениях, так что трубочки образовывали звёзды только тогда, когда на них падал свет. Таким образом, исследователи могли контролировать, когда и где будут образовываться астры, проецируя различные узоры света, что позволило им разработать теории о физических механизмах, лежащих в основе образования астр.
Управление астрами не только позволило изучить их формирование, но и позволило команде построить что-то из структур. Росс разработал простые процедуры световых узоров для размещения, перемещения и объединения звезд разного размера. Этот метод предлагает способ манипулирования структурами и изучения гидродинамики в крошечном масштабе длины, с которым обычно трудно работать; жидкости демонстрируют сложное поведение при таких малых объемах.
"Как правило, очень сложно манипулировать жидкостями и структурами в таком масштабе. Но это масштаб, который нас больше всего интересует для изучения клеток и химии; вся молекулярная биология работает в этом масштабе", - говорит Росс. «Наша система, основанная на свете, позволяет нам динамически манипулировать нашей системой. Мы могли бы посмотреть в микроскоп и сказать: «Хорошо, у нас здесь достаточно, давайте начнем трассировку там», и соответствующим образом изменить схему освещения. Мы могли бы использовать aster структуры таким образом, чтобы они могли перемешивать и смешивать растворы в очень малых масштабах."
Исследование является результатом сотрудничества между лабораториями Мэтта Томсона, доцента кафедры вычислительной биологии и исследователя Медицинского научно-исследовательского института наследия, и Роба Филлипса, профессора биофизики, биологии и физики Фреда и Нэнси Моррис. Это сотрудничество, отмечает Томсон, сделало возможным прорыв в проекте, который Росс начал в лаборатории Томсона в Калифорнийском технологическом институте в Сан-Франциско (UCSF) до того, как они оба пришли в Калифорнийский технологический институт в 2017 году. ученым с обширными знаниями в области оптики, чтобы разработать специализированный микроскоп, с помощью которого они могли бы наблюдать за образованием звезд и направлять точные световые узоры.
"Это было одно из лучших совместных проектов, которые я видел в своей карьере", - говорит Томсон. «Эта история действительно говорит сообществу о том, как вы можете работать в разных областях, и люди будут поддерживать и развивать ее. Мы получили отзывы от людей, которые работают в области нанотехнологий ДНК, и людей, которые работают в области химической инженерии и гидродинамики."