Как кишечная палочка выращивает свой «нос»

Системы, способные к самосборке и самоорганизации, — это «Святой Грааль» нанотехнологий, но природа создает такие системы миллионы лет. Ученые исследовали, как тысячи бактериальных мембранных белков собираются в кластеры, которые направляют движение клетки к определенным химическим веществам в окружающей среде. Их результаты дают ценное представление о том, как в биологических системах могут возникать и восстанавливаться сложные периодические структуры.

Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley), Медицинского института Говарда Хьюза и Принстонского университета использовали сверхточную технику световой микроскопии PALM (Photo-Activated Localization Microscopy). Она показала, что хемотаксическая сеть сигнальных белков в бактериях E. coli способна спонтанно формироваться из кластеров белков без активного распределения или прикрепления к конкретным местам в клетках. Этот простой механизм организации, названный «стохастической самосборкой», связан с самоорганизующимися паттернами, впервые описанными в 1952 году британским ученым-компьютерщиком Аланом Тьюрингом.

«Мало кто осознает, что сложные периодические паттерны могут спонтанно возникать из простых механизмов, но, вероятно, именно это здесь и происходит», — сказал Ян Липхардт, биофизик, руководивший исследованием.

PALM и хемотаксическая сеть

В технике PALM целевые белки метятся флуоресцентными метками, которые активируются слабым ультрафиолетовым светом. При достаточно низкой интенсивности света можно активировать отдельные белки по одному.

«Поскольку отдельные белки визуализируются по одному, мы можем локализовать и подсчитать их, а затем вычислительно собрать расположение всех белков в одно составное изображение высокой точности», — пояснил Липхардт.

Исследователи применили PALM к хемотаксической сети сигнальных белков E. coli, которая направляет движение бактерий к сахарам, аминокислотам и другим молекулам в ответ на сигналы среды. Эта сеть — одна из наиболее изученных биологических сигнальных систем и модель для исследования пространственной организации бактерий, поскольку ее компоненты демонстрируют неслучайное, периодическое распределение в клеточной мембране.

«Белки хемотаксиса собираются в большие сенсорные комплексы, которые локализуются на полюсах бактериальной клетки», — сказал Липхардт. — «Мы хотели понять, как формируются эти кластеры, что контролирует их размер и плотность, и как расположение кластеров в клетке надежно поддерживается при росте и делении клеток».

С помощью PALM ученые картировали клеточную локализацию трех ключевых белков сети — Tar, CheY и CheW — со средней точностью 15 нанометров. Они обнаружили, что размеры кластеров распределены без одного «характерного» размера. Например, треть белков Tar входила в состав меньших латеральных кластеров, а не крупных полярных. Анализ относительного расположения более миллиона отдельных белков из 326 клеток показал, что они не распределяются активно и не прикреплены к конкретным местам в клетках, как предполагалось ранее.

«Вместо этого, — сказал Липхардт, — вероятно, достаточно случайной латеральной диффузии белков и белково-белковых взаимодействий, чтобы генерировать наблюдаемые сложные упорядоченные паттерны. Этот простой механизм стохастической самосборки, способный создавать и поддерживать периодические структуры в биологических мембранах без прямого участия цитоскелета или активного транспорта, может оказаться широко распространенным как в прокариотических, так и в эукариотических клетках».

Теперь группа Липхардта применяет PALM к сигнальным комплексам в эукариотических мембранах, чтобы выяснить, насколько широко в природе распространена стохастическая самосборка. Учитывая, что биологические системы — это природная версия нанотехнологий, демонстрация того, что стохастическая самосборка способна организовать тысячи белков в сложные и воспроизводимые паттерны, открывает перспективы для широкого спектра применений в нанотехнологиях, включая создание наноустройств и разработку наноэлектронных схем.