Новый механизм образования везикул для транспорта молекул и вакцин в клетки

Канадские и американские исследователи открыли новый механизм образования мембранных везикул. Эти самодостаточные наночастицы захватывают белки, РНК и другие молекулы изнутри или снаружи живых клеток в качестве питательных веществ, регулируют количество рецепторов гормонов (например, инсулина) на поверхности клеток, контролируя их чувствительность, и доставляют белковые гормоны к клеточной поверхности для высвобождения. Эти процессы необходимы для нормальной работы клеток, а их нарушения связаны с рядом заболеваний, включая рак, болезни сердца и нейропсихиатрические расстройства. Этот же механизм обеспечивает поглощение клетками наночастиц с мРНК-вакцинами.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные обнаружили, что эндоцитоз (процесс транспорта молекул в клетку) начинается с образования биомолекулярного конденсата. Это недавно открытые жидкоподобные капли из белков и РНК, напоминающие капли масла в воде.

На начальных этапах эндоцитоза специфические белки собираются в точках нуклеации на клеточной мембране (двуслойной структуре из фосфолипидов). За несколько секунд конденсат растёт на поверхности мембраны, подобно росе на стекле. В критический момент мембрана прогибается и впячивается внутрь конденсата, в итоге отщепляясь с образованием сферической везикулы. Причина этого изгиба оставалась загадкой, и исследователи предположили, что ключом может быть эндоцитарный конденсат.

Чтобы понять это, первый автор работы Луи-Филипп Бержерон-Сандоваль (Университет Монреаля) предположил, что изгиб мембраны должен быть связан с материальными свойствами конденсата. «Мы думали, что некоторая комбинация свойств — адгезивность поверхности, вязкость и упругость конденсата — должна создавать силу, заставляющую мембрану изгибаться», — сказал он.

Совместно с коллегами из Университета Макгилла он использовал метод оптической ловушки-микромеханики, чтобы определить вязкоупругие свойства эндоцитарного конденсата. На основе этих данных была построена математическая модель, объясняющая, как именно конденсат заставляет мембрану изгибаться и формировать везикулу.

«Нашу модель можно объяснить механической аналогией, — говорит ведущий автор, биохимик Стивен Мичник. — Представьте гибкую резиновую мембрану, прилипшую к поверхности расширяющегося резинового шара, заполненного вязкоупругой жидкостью. По мере расширения шара его объём должен оставаться постоянным, поэтому резиновая мембрана втягивается внутрь, замещая увеличивающийся объём».

Соавтор Рохит Паппу, биоинженер из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, добавил: «До нашего исследования в области биомолекулярных конденсатов основное внимание уделялось их роли в концентрировании белков и РНК. Наша работа показывает, что возникающим свойством таких конденсатов является способность действовать как "механоактивные устройства", совершающие работу над другими материалами для организации живых клеток».

Предстоит большая работа по подтверждению и расширению роли биомолекулярных конденсатов как механоактивных элементов в других процессах изгиба мембран и формирования везикул. Белки, образующие эндоцитарный конденсат, родственны тем, что вовлечены в нейродегенеративные заболевания и рак. Мутации в этих белках меняют материальные свойства формируемых ими конденсатов, что, как полагают, может быть причиной болезни. В настоящее время ведутся работы по созданию лекарств, предотвращающих или обращающих эти изменения.