Если вы хотите понять, как работает клеточная мембрана, говорит Адам Коэн, загляните не дальше своей кухни.
Коэн, профессор химии, химической биологии и физики, является ведущим автором нового исследования, которое переворачивает общепринятые теории о жидкой природе клеточных мембран и о том, как они реагируют на напряжение.
Ученые долгое время считали, что мембраны действуют как вязкая жидкость, похожая на мед, и что напряжение может почти мгновенно передаваться с одной стороны клетки на другую, но Коэн и Чжэн Ши, постдокторант работа в лаборатории Коэна показала, что они на самом деле ближе к полутвердым веществам, таким как Jell-O. Исследование описано в статье от 1 ноября, опубликованной в Cell..
"Принято считать, что мембрана - это то, что мы называем двумерной жидкостью, что означает, что липидные молекулы, из которых она состоит, застревают в плоскости мембраны… но внутри этой плоскости эти молекулы могут перемещаться, ", - сказал Коэн. «Это похоже на то, как люди слоняются по центральному вокзалу - все прилипли к плоскости пола, но могут передвигаться. Люди проводили эксперименты, в ходе которых они метили трансмембранные белки, находящиеся в мембране, и могли наблюдать за ними. рассеиваться вокруг.
«Люди предполагали, что, поскольку мембрана ведет себя как жидкость, если потянуть ее за одну сторону, она будет течь до тех пор, пока напряжение снова не уравняется», - продолжил он. «Люди думали, что это распространение напряжения будет очень быстрым, и что это может быть способом для клеток передавать сигналы от одной части мембраны к другой».
Но несмотря на то, что было проведено много исследований, предполагавших, что мембраны работают таким образом, экспериментальных данных, подтверждающих это, было мало.
То, что было сделано, по словам Коэна, было получено в результате экспериментов, в ходе которых исследователи создали «синтетические» мембраны, а затем показали, что напряжение практически мгновенно передается с одной стороны на другую.
Помня об этом, Коэн и Ши решили увидеть эту передачу напряжения в действии, разработав флуоресцентный белок, который загорался бы, когда сигнал проходит через мембрану.
"Идея заключалась в том, что у нас есть это невероятно чувствительное чувство осязания, которое действует через эти управляемые напряжением ионные каналы, и я подумал, что было бы круто, если бы вместо того, чтобы просто прикосновение генерировало электрические сигналы в наших нейронах… если бы мы могли видеть прикосновение напрямую», - сказал Коэн. «Итак, Чжэн сделал эти датчики, и мы пытались откалибровать их, потянув за одну сторону клетки и отыскав изменения в передаче сигналов, и его эксперименты просто не имели смысла. Он продолжал эксперимент и не видел никакого ответа."
Хотя в тот момент было бы легко просто решить, что эксперимент не сработал, и сдаться, Коэн и его коллеги вместо этого начали задаваться вопросом, могут ли эти базовые предположения о клеточных мембранах быть неверными.
«Итак, Чжэн поставил очень простой эксперимент, в котором у него было два датчика на механических приводах», - сказал он. «Он дернул мембрану в двух местах и измерил натяжение… и не увидел никакой связи. Так что он мог тянуть сколько угодно на одном конце, а на другом ничего не было. Затем он проделал тот же эксперимент со свободными мембранами. был отсоединен от клетки, и он увидел идеальное сцепление. Это говорит нам о том, что в мембране было что-то принципиально иное, когда она была на клетке, по сравнению с тем, когда она была изолирована».
Это фундаментальное различие, как предположил Коэн и его коллеги, заключается в белках, которые в живых клетках находятся в мембране и прикреплены к цитоскелету клетки.
«Эти белки не могут двигаться», - сказал Коэн. «И каждый из них действует как неподвижный барьер, поэтому любой поток должен обходить его - это как если бы у вас было несколько человек на Центральном вокзале, которые просто стояли на месте».
Коэн и его коллеги подсчитали, что эти белки занимают до 20 процентов клеточной мембраны - достаточно, чтобы оказывать глубокое влияние на то, как работает мембрана.
Вы можете подумать, что если вы займете 10 или 20 процентов своего пространства препятствиями, вы увидите эффект в 10 или 20 процентов, но оказывается, что это оказывает десятитысячекратное влияние на способность мембрана должна течь», - сказал Коэн. «Аналогия, с которой все знакомы, - это Jell-O. Когда вы делаете Jell-O, желатин составляет всего около пяти процентов рецепта - подавляющее большинство - это просто вода.
Пятипроцентный раствор сахара течет так же, как вода, а пятипроцентный желатиновый гель не течет вообще, потому что нити желатина спутаны и не могут двигаться относительно друг друга, поэтому вода пойман в ловушку, потому что не может проходить через промежутки размером с молекулу между нитями», - продолжил он.«Но если вы возьмете прозрачное желе и нанесете на него каплю красителя, молекулы красителя будут диффундировать через него… потому что молекулы достаточно малы, чтобы их можно было протиснуть».
Тот же принцип, по его словам, действует и в клеточных мембранах.
«Отдельные молекулы выглядят так, будто они свободно диффундируют, потому что на самом деле так оно и есть - они могут протискиваться сквозь трещины», - сказал Коэн. «Но это не должно приводить вас к ошибочному заключению, что мембрана течет как жидкость, потому что есть препятствия, которые застревают на месте и действуют как желатин».
Двигаясь вперед, Коэн сказал, что есть два пути для дальнейших исследований.
«Все равно было бы интересно иметь хороший способ изображения натяжения мембраны», - сказал он. «Итак, мы вернулись к исходному вопросу, чтобы объяснить, как регулируется напряжение в клетках, когда они получают различные входные данные».
Коэн также планирует изучить, могут ли быть некоторые клетки, которые действительно передают напряжение через мембрану, в надежде выяснить, какие особые роли эти клетки могут выполнять.
Новое понимание того, как работают мембраны, по словам Коэна, может оказать серьезное влияние не только на то, как ученые будут проводить биологические эксперименты в будущем, но может даже однажды повлиять на то, как мы лечим болезни.
«Мембранная передача сигналов имеет фундаментальное значение почти для всех аспектов жизни, потому что именно так информация попадает из внешних клеток во внутренние клетки», - сказал Коэн. «Подавляющее большинство лекарств действуют на трансмембранные белки. Все наши нейроны, все ионные каналы и синаптические рецепторы являются трансмембранными белками, поэтому я ожидаю, что будет много мест, где это окажется важным параметром..
«Но теперь, когда мы знаем, что напряжение не является однородным - и на самом деле может быть совершенно разным в разных частях клетки - это предполагает, что это может быть что-то, что клетки используют для регуляции различных процессов», - продолжил он. «Поэтому анализы, которые люди проводят на белках в этих синтетических бислоях, где напряжение однородно, могут упустить важные регулирующие механизмы… так что это параметр, о котором людям придется подумать."