Энергетическое уравнение указывает на автономность клеток

Исследование механической и метаболической энергии клеток с использованием оценок по порядку величины показало, какая энергия требуется для изменения формы клеток.

Совместное исследование компании Teledyne Scientific and Imaging (Калифорния) и Университета Вашингтона сравнило механическую энергию, необходимую клеткам для движения, с максимальной энергией, доступной из их метаболизма.

Автор работы доктор Брайан Кокс отмечает, что соотношение этих энергий помогает ответить на вопрос: движутся ли клетки под действием внешних сил или же они, скорее, генерируют силы самостоятельно, используя собственную энергию.

«Это важно, потому что клетка, использующая собственную энергию для движения, может мигрировать в любом направлении, которое определяется её экспрессией генов и получаемыми стимулами. В то время как клетка, подчиняющаяся внешним силам, может двигаться только туда, куда её направят эти силы», — поясняет он.

Оценки энергии в исследовании — это оценки по порядку величины, метод решения задач, который Энрико Ферми использовал для проверки осуществимости идей и оценки величин при ограниченных данных.

«Этот подход оказался вполне удовлетворительным, потому что механическая и метаболическая энергии оказались настолько разными. Механическая энергия, необходимая клеткам для движения, на три-шесть порядков величины меньше, чем доступная метаболическая энергия — то есть в 1000–1 000 000 раз меньше», — говорит доктор Кокс.

Учитывая, что требуемая механическая энергия в единицу времени составляет такую малую долю от доступной метаболической энергии, есть веские основания рассматривать клетки как «автоматы». Это означает, что они могут двигаться, используя внутренние источники энергии для локомоции, а не полагаясь на внешние силы.

«Способность клеток действовать автономно часто является необходимым условием для успешного формирования паттернов. Отдельные клетки должны двигаться в направлениях, которые приводят к локальному увеличению запасённой механической энергии, например, перемещаясь в пространства, уже занятые другими клетками, чтобы успешно создавать паттерны», — отмечает учёный.

Энергетические оценки также ставят под сомнение предположение, что материальные законы, подходящие для неодушевлённых инженерных материалов, также применимы для описания механики тканей, состоящих из живых клеток.

Исследование показало, что ткань с автономно действующими клетками фундаментально отличается от неодушевлённого материала, поскольку клетки могут использовать собственную метаболическую энергию для перестройки своей внутренней структуры.

«С точки зрения энергии, клетки могут добавлять новую механическую энергию в систему, черпая её из своего метаболизма», — резюмирует доктор Кокс.