Как цитоплазма «ощущается» компонентами клетки

Цитоплазма клетки — это переполненная, постоянно меняющаяся среда. Инженеры MIT выяснили, что разные внутриклеточные компоненты ощущают её по-разному в зависимости от своего размера и скорости движения.

Ключевой вывод: Органелла воспринимает цитоплазму как материал с разными механическими свойствами — от вязкой жидкости до упругого твёрдого тела — в зависимости от её собственного размера и скорости.

Эксперимент и механизмы сопротивления

Исследователи во главе с Мин Го (Ming Guo) провели эксперименты на живых клетках млекопитающих:

  • В клетки вводили пластиковые шарики размером 0.5–1.5 микрон (как у большинства органелл).
  • С помощью оптических пинцетов шарики с постоянной скоростью перемещали через клетку, измеряя необходимое для этого усилие (сопротивление цитоплазмы).

Было установлено, что сопротивление возникает из двух основных источников:

  1. Пороупругость (Poroelasticity): Сопротивление, связанное с необходимостью вытеснять воду. Крупные объекты с большей площадью поверхности ощущают его сильнее.
  2. Вязкоупругость (Viscoelasticity): Сопротивление динамического цитоскелета (сети белков, которая постоянно собирается и разбирается). Чем быстрее движется объект, тем больше он ощущает это сопротивление как со стороны твёрдого, упругого материала.

Фазовая диаграмма и взгляд органелл

На основе результатов команда построила фазовую диаграмму, которая показывает, какой материал «чувствует» объект в цитоплазме в зависимости от его размера и скорости.

Используя литературные данные о реальных органеллах, учёные определили их положение на диаграмме:

  • Ядро (большое и медленное): ощущает цитоплазму как мёд — вязкую жидкость с малым сопротивлением, так как не «замечает» постоянно меняющиеся структуры цитоскелета.
  • Митохондрии (меньше и быстрее): ощущают её как зубную пасту, поскольку иногда блокируются этими структурами.
  • Лизосомы (ещё меньше и быстрее): ощущают цитоплазму как желе (Jell-O) или резину, так как быстро движутся и «отскакивают» от структур цитоскелета.

Практическое значение

Это исследование предоставляет фундаментальное понимание клетки как материала. Фазовая диаграмма может быть полезна, например, в фармакологии для расчёта оптимального размера наночастиц лекарств, чтобы они могли эффективно перемещаться внутри клетки.

«Препарат диаметром 100 нанометров будет ощущать совершенно иное сопротивление, чем что-то шириной 500 нанометров», — отмечает Мин Го.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.