Цитоплазма — не вязкая жидкость, а упругий гель, колеблемый волнами
Новое исследование Гарвардского университета опровергает устоявшуюся модель, согласно которой цитоплазма клеток млекопитающих — это вязкая жидкость, где органеллы и белки пассивно дрейфуют в результате броуновского движения (тепловой диффузии).
Ключевые выводы:
- Цитоплазма — это упругий гель, оказывающий сопротивление простой диффузии.
- Энергозатратные процессы, в основном в цитоскелете (работа молекулярных моторов, например, на актомиозине), создают случайные мощные волны в цитоплазме.
- Эти волны активно расталкивают белки и органеллы, ускоряя и расширяя их перемещение — подобно тому, как проходящие корабли влияют на движение объектов в воде.
Поскольку транспорт внутри клетки зависит от активных энергопотребляющих процессов, измерение спектра сил, действующих на цитоплазму, может служить «снимком» метаболического состояния клетки.
Методология:
Команда под руководством Дэвида А. Вайца разработала микроскопию силового спектра (force spectrum microscopy, FSM). Этот метод сочетает микроскопию, микрорхеологию и оптические пинцеты для измерения:
- Жёсткости цитоплазмы.
- Движения инертных частиц, введённых в клетку.
Сравнение наблюдаемого движения частиц с ожидаемым тепловым движением (рассчитанным на основе измеренной механики цитоплазмы) позволяет рассчитать совокупные силы внутри клетки.
Экспериментальные доказательства:
- В «нокаутных» экспериментах при удалении источника энергии клетки — аденозинтрифосфата (ATP) — движение органелл и частиц значительно замедлялось.
- Измерения показали, что в гиперактивных злокачественных клетках молочной железы совокупные силы были значительно сильнее, чем в доброкачественных.
Значение работы:
- Это первое физическое понимание цитоплазмы в клетках млекопитающих и первый метод измерения совокупных сил в живой клетке.
- Результаты показывают, что факторы, влияющие на активность молекулярных моторов, опосредованно определяют реологию цитоплазмы.
- Свойства цитоплазмы (жёсткость, подвижность) зависят от энергетического состояния клетки, а не только от пассивной диффузии.
Это открытие меняет взгляд на клеточную динамику и предоставляет новый инструмент для исследований в области развития, метаболизма и биологии рака. В будущем FSM может пролить свет на то, как упругие свойства цито- и нуклеоплазмы влияют на экспрессию генов, передачу сигналов, рост и подвижность клеток.
Исследование опубликовано 14 августа в журнале Cell.