Исследователи создали физическую модель для изучения «созидательного разрушения» внутри клеток

Исследователи из Принстонского университета продемонстрировали механику ключевого процесса в живых клетках, при котором жидкие капли образуются и выполняют сложные задачи внутри замысловатых полимерных каркасов, пересекающих внутреннее пространство клеток.

Результаты дают новое представление о формировании клеточных конденсатов — организованных капель, образующихся из жидкого содержимого клеток. Конденсаты играют критическую роль в здоровье и болезнях, а их открытие около 15 лет назад кардинально изменило научное понимание работы клетки. Многие фундаментальные аспекты того, как конденсаты возникают и растут в сложной клеточной среде, остаются плохо изученными.

Исследование изучило, как на развитие конденсатов влияют фибриллярные сети клеток. Эти сети состоят из тонких полимерных нитей, протянутых по всей клетке. Учёные обнаружили, что конденсаты образуются в пространствах между нитями в процессе жидкостно-жидкостного фазового разделения, подобно тому, как масло отделяется от воды.

Конденсаты оказывают физическое давление на сети, а затем растут большими, резкими скачками, когда полимерные нити разрываются. Последующий рост конденсата затем происходит на основе способности конденсатов притягивать больше биомолекул и силы сети сопротивляться дальнейшему разрушению.

«Поскольку внутренняя среда клеток настолько плотна и сложна, мы разработали модельную систему, чтобы исследовать поведение формирования биомолекулярных конденсатов доступным способом», — сказал Джейсон Лю, постдок в лаборатории Родни Пристли в Принстоне и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications в сентябре.

Лю и коллеги построили аналог клеточной среды из агарозных гидрогелей — резиноподобного гелеобразного вещества с внутренними порами, похожими на поры в фибриллярных сетях. Исследователи насытили гели этанолом и деканом — бесцветным маслянистым углеводородом, содержащимся в бензине.

Помещение нагруженных смесью гелей в воду вызывало фазовое разделение этанола и декана, при котором декан образовывал глобулы, подобные биологическим конденсатам. Исследователи добавили флуоресцентный краситель, что позволило детально отслеживать рост и динамику искусственных конденсатов.

В этой системе маленькие конденсаты возникали внутри взаимосвязанных поровых пространств агарозного геля, как и в фибриллярной сети клетки. Исследователи наблюдали, как отдельные нитевидные структуры в геле ограничивали расширение декановых конденсатов, сжимая разделяющиеся жидкости в разрозненные несферические формы. Когда достаточное количество декана присоединялось к ограниченным конденсатам, нити разрывались, и конденсаты подвергались дальнейшему фазовому разделению и увеличивались в размерах, превращаясь в полноценные глобулы.

В целом, модель продемонстрировала, что взаимодействие между фибриллярной сетью и процессом фазового разделения отдельных конденсатов в конечном итоге помогает определять качество, количество и распределение по размерам конденсатов.

В живых клетках образование конденсатов связано с мириадами процессов: от деления клетки до регуляции активности генов и репарации повреждений ДНК. Исследования всё чаще показывают, что если конденсаты формируются неправильно или в неверных количествах, может возникнуть дисфункция. Например, вязкие и спутанные конденсаты связывают с нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера. Другие исследования указывают на вероятную роль конденсатов в раке, вирусных инфекциях и многом другом.

С точки зрения материаловедения, углубление знаний о жидкостно-жидкостном фазовом разделении будет способствовать текущей работе над твердо-жидкими композитами. Эти материалы содержат жидкие компоненты, включённые в матрицу из волокон или других твёрдых веществ, и обещают получение новых благоприятных механических, электрических и термических характеристик.