Случайные блуждания к месту назначения: как белки цитоскелета находят свои цели

Внутренний скелет клетки (цитоскелет) постоянно перестраивается. Физики из LMU показали, что белки, из которых он состоит, могут эффективно доставляться к местам своей работы путём диффузии — при условии, что их можно «арестовать», когда они туда попадут.

Проблема навигации в клетке

Цитоскелет состоит из нескольких семейств белков, образующих фибриллярные полимеры. Одно из этих семейств формирует микротрубочки, критически важные для многих клеточных процессов. Для адекватного выполнения функций цитоскелет постоянно и динамически перестраивается под влиянием регуляторных белков, которые, например, регулируют полимеризацию и деполимеризацию субъединиц микротрубочек.

Перестройка существующих микротрубочек требует связывания соответствующих регуляторных белков с одним из их концов. Поскольку микротрубочки намного крупнее своих модуляторов и состоят из тысяч внутренних субъединиц, к которым те потенциально могут присоединиться, найти правильный конец — непростая задача.

Диффузия как решение

«Экспериментальные исследования двух таких белков показали, что они движутся диффузно, то есть случайным образом, вдоль микротрубочек», — говорит Эмануэль Райтманн, первый автор новой работы в журнале Physical Review Letters.

С помощью моделирования на основе новой теоретической модели исследователи под руководством биофизика LMU Эрвина Фрея смогли очень успешно воспроизвести экспериментальные данные. Их анализ также демонстрирует, что диффузное движение действительно помогает регуляторным белкам достичь правильного конца полимера.

Ключевой фактор: захват на месте

Однако одной диффузии недостаточно. Второй фактор играет действительно решающую роль: белки должны быть активно «убеждены» прекратить свои диффузные блуждания на конце микротрубочки, то есть позволить себя захватить.

Без механизма захвата на конце трубочки белок проскакивает свою остановку, и положительный эффект диффузного движения теряется. Теоретические соображения предполагают, что для остановки свободно диффундирующих частиц требуется энергия.

«Поэтому мы предполагаем, что контакт с концом полимера запускает реакцию, которая, скорее всего, требует затрат энергии для изменения структуры регуляторных белков, чтобы их можно было захватить», — объясняет Райтманн. «Эту гипотезу теперь можно дополнительно проверить экспериментально, чтобы лучше понять динамику микротрубочек».

Широкие перспективы модели

Исследователи полагают, что их модель также должна быть применима к другим типам регуляторных молекул, например, к ДНК-связывающим белкам. Этот подход также даёт новое понимание, имеющее общее значение для физических систем, находящихся вне теплового равновесия. Динамика таких неравновесных систем является одной из самых активных областей исследований в современной теоретической физике.