Как клетки используют конденсацию для герметизации тканей

Наши тела и органы защищены от внешней среды тканевыми барьерами, такими как кожа. Эти барьеры должны быть плотно запечатаны, чтобы предотвратить проникновение нежелательных веществ. Такое уплотнение достигается с помощью структур, называемых плотными контактами (tight junctions). Однако то, как формируются эти контакты, долгое время оставалось загадкой.

Междисциплинарная группа исследователей под руководством профессора Алфа Хонигманна из Биотехнологического центра (BIOTEC) Дрезденского технического университета обнаружила, что белки, ответственные за эти уплотнения, образуют на поверхности клетки жидкообразный материал, подобно воде, конденсирующейся на холодном окне.

Результаты опубликованы в журнале Nature.

Наши органы, такие как лёгкие или кишечник, должны быть герметичны, чтобы их содержимое не просачивалось в другие отделы тела. Внешний слой органов достигает этого с помощью специализированных уплотнений между клетками — плотных контактов. Они представляют собой пояса, окружающие верхнюю часть каждой клетки и прикрепляющиеся к соседним клеткам.

"В отличие от раствора в кирпичной стене, плотные контакты динамичны. Наша кожа или органы мягкие, и клетки постоянно меняют свою форму. Плотные контакты должны уметь адаптироваться к изменению формы клетки и при этом сохранять способность запечатывать щели", — объясняет профессор Хонигманн.

Конденсация на поверхности

Чтобы понять, как формируются эти уплотнения, команда использовала передовые биофизические методы для наблюдения за процессом в реальном времени. Они разработали способ химически включать и выключать формирование плотных контактов по своему желанию. Используя генную инженерию, они пометили уплотняющие белки флуоресцентным маркером. Это позволило с помощью микроскопии высокого разрешения наблюдать формирование контактов в реальном времени.

Совместно с теоретическими физиками под руководством Франка Юлихера из Института физики сложных систем им. Макса Планка (MPI-PKS) в Дрездене группа смогла показать, что самосборка плотных контактов управляется физическим явлением, называемым смачиванием поверхности.

"Белки плотных контактов ведут себя очень похоже на воду. Объединив наши наблюдения с теоретическим физическим моделированием, мы пришли к тому, что по сути является физическим процессом конденсации жидкости на поверхности", — говорит доктор Карина Помбо-Гарсия, ведущий исследователь проекта.

Белки плотных контактов связываются с поверхностью клеточной мембраны на границе соприкосновения клеток. Когда количество связанных там белков достигает определённого порога, белки конденсируются в жидкость, которая постепенно растёт, образуя подобие капли на поверхности клетки.

В конечном итоге эти капли удлиняются, соприкасаются друг с другом и образуют единый пояс вокруг клеток. Таким образом, плотные контакты запечатывают пространства между клетками, делая нашу кожу и органы герметичными.

"Возможно, все видели это зимой. Крошечные капли воды появляются на холодном окне. Это именно то же самое, но на молекулярном масштабе", — добавляет доктор Помбо-Гарсия.

Жидкости из белков

Ещё в 2017 году команда Хонигманна начала подозревать, что белки плотных контактов могут вести себя как жидкости. "Мы приложили много усилий, чтобы понять, как измерить и наблюдать эти жидкообразные свойства", — говорит профессор Хонигманн.

Ранняя работа, приведшая к этому открытию, проводилась в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене. Исследователи MPI-CBG являются пионерами в биологии конденсатов — новом направлении биологии, которое фокусируется на белках, образующих крупные скопления с жидкообразными свойствами.

"Биология конденсатов — перспективная область, потому что она заполняет пробел между масштабами. Одна из общих проблем в биологии — понять, как такие структуры, как клеточные органеллы, формируются из мириад молекулярных взаимодействий в цитоплазме. Теперь мы знаем, что определённые биомолекулы могут самоорганизовываться в материалы, такие как жидкости и гели. Это позволяет нам применять хорошо изученные физические концепции, такие как конденсация и другие фазовые переходы, для описания формирования структур в биологии", — заключает профессор Хонигманн.