Капли росы на паутине открыли физику клеточных структур

Как знает любой повар, одни жидкости хорошо смешиваются друг с другом, а другие — нет. Например, если вылить столовую ложку уксуса в воду, жидкость становится однородной после непродолжительного перемешивания. Однако вылитая в воду ложка масла будет собираться в капельки, которые не растворяются ни от какого перемешивания. Физика, которая управляет смешением жидкостей, не ограничена кухонными чашками, она также влияет на процессы внутри клеток. Уже несколько лет известно, что некоторые белки ведут себя как жидкости, и что некоторые подобные жидкостям белки не смешиваются друг с другом. Однако очень мало известно о том, как эти подобные жидкостям белки ведут себя на поверхностях клеток.

Учёные из лаборатории Принстонского университета Джошуа Шевитц, Говард стоун и Сабина Петри открыли, что поверхностное натяжение заставляет белок TPX2, который обычно находится в состоянии, подобном жидкому, формировать глобулы, которые становятся центрами образования ветвящихся микротрубочек во время деления клеток. Статья с деталями этих открытий опубликован в выпуске журнала Nature Physics. На иллюстрации показаны микрофотографий «бусины» TPX2 (зелёные) на микротрубочках (красные). Линия масштаба — 1 микрометр. Авторы: Сагар Сетру, Бернардо Гувейя, Раймундо Альфаро-Ако, Джошуа Шевитц, Говард А. Стоун и Сабина Петри

«Разделение двух несмешивающихся жидкостей, например, масла и воды, известно как “разделение фаз жидкость-жидкость”, и является жизненно важным для функционирования многих белков», — сказал Сагар Сетру, получивший степень PhD, который работал вместе с Сабиной Петри, профессором молекулярной биологии, и Джошуа Шевитцем, профессором физики в Институте интегративной геномики имени Льюиса и Сиглера.

Такие белки не растворяются в клетке, вместо этого они соединяются вместе с такими же или ограниченным числом других белков, что позволяет клеткам разделять определённые биохимические активность без необходимости заворачивать их в мембраны.

«В молекулярной биологии изучение белков, которые образуют конденсированные фазы, подобные жидким, — быстро растущая область», — сказал Бернардо Гувейя, магистр химической и биологической инженерии, работающий вместе с Говардом Стоуном, профессор имени Дональда и Элизабет Диксон в области механической и аэрокосмической инженерии и глава отделения. Сетру и Гувейя совместно были первыми соавторами в попытках лучше понять один из таких белков.

«Нам было любопытно поведение подобного жидкости белка TPX2. Что делает этот белок особенным, это то, что он не образует жидкие капли в цитоплазме, как наблюдалось ранее, но вместо этого как будто подвергается фазовому разделению на биологических полимерах, называемых микротрубочками, — сказал Сетру. — TPX2 необходим для построения разветвлённой сети микротрубочек, что важно для деления клеток. TPX2 также экспрессируется сверх нормы в некоторых видах раковых клеток, так что понимание его поведения может иметь медицинское значение».

Отдельные микротрубочки — это волокна стержневидной формы. Во время деления клеток новые микротрубочки образуются на краях существующих и создают разветвлённую сеть. Места, где будут расти новые микротрубочки, отмечаются глобулами («шариками») конденсированного TPX2. Эти глобулы TPX2 уже притягивают другие белки, необходимые для роста микротрубочек.

Исследователи также хотели узнать, как глобулы TPX2 образуются на микротубочке. Чтобы выяснить это, они наблюдали за ними в процессе. Сперва они модифицировали микротрубочки и TPX2, так чтобы они светились разным цветом при флуоресценции. Затем они поместили микротрубочки на пластинку микроскопа, добавили TPX2 и наблюдали, что произойдёт. Они также провели наблюдения с очень высоким пространственным разрешением, используя атомно-силовую микроскопию.

«Мы обнаружили, что TPX2 сперва покрывает всю микротрубочку, а затем распадается на равномерно распределённые капли, подобно тому, как утренняя роса покрывает паутину и тоже распадается на капли», — сказал Гувейя.

Сетру, Гевей и коллеги обнаружил, что это происходит из-за эффекта, называемого физиками нестабильностью Рэлея—Плато. Хотя не физикам эти имена могут ничего не сказать, само явление будет уже знакомо. Оно например, объясняет, почему струя воды из крана распадается на капли, или почему однородный слой воды на волокне паутине собирается в отдельные бусины.

«Тем удивительнее обнаружить такую повседневную физику в наномире молекулярной биологии», — сказал Гувейя.

Расширив своё исследование, учёные обнаружили, что расположение и размер глобул TPX2 на микротрубочке определяется толщиной начального покрытия TPX2, то есть тем, сколько TPX2 представлено. Это может объяснять, почему изменяется разветвлённость микротрубочек в раковых клетках, которые производят слишком много этого белка.

«Мы использовали симуляции, чтобы показать, что эти капли — более эффективный способ ветвления, чем просто однородное покрытие или связывание белка по всей длине микротрубочки», — сказал Сетру.

«То, что физика образования капель, настолько ясная невооружённому взгляд, играет роль в микромасштабах, помогает установить растущее взаимодействие между физикой конденсированных сред и биологией», — сказал Рохит Паппу, профессор инженерии имени Эдвина Мёрти в университете имени Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе, который не участвовал в исследовании.

«Теорию этого процесса наверняка можно применить к большому числу взаимодействий между конденсатами, подобными жидким, и клеточными поверхностями, — добавляет Паппу. — Я думаю, мы будем возвращаться к этой работе снова и снова».

_______________

Перевод Антон Меньшенин, редактор Екатерина Хананова.

Источники: исследование Sagar U. Setru et al, A hydrodynamic instability drives protein droplet formation on microtubules to nucleate branches, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-020-01141-8 и оригинал материала на английском.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s