Ученые расшифровали энергетические паттерны в наших клетках

Клетки нашего тела используют энергию для таких важных функций, как деление, заживление ран и иммунный ответ на болезни, включая рак. Однако до сих пор механизмы того, как эта энергия влияет на поведение клеток и как это связано с результатами для здоровья, оставались неясными.

Ученые из Йельского института системной биологии открыли термодинамические принципы, лежащие в основе использования энергии в наших клетках. Открытие, опубликованное в Nature Physics, сделано в лаборатории Майкла Меррелла, доцента биомедицинской инженерии и физики.

Впервые исследователи измерили, как энергия распределяется в виде различных волновых паттернов, формирующихся во внешней мембране клетки и её внутренней структуре, или "цитоскелете" — обе эти части составляют клеточный "кортекс".

Перед делением клетки генерируют белковые "волновые паттерны" двух характерных типов: один пульсирует, как сердцебиение, а другой демонстрирует, казалось бы, хаотичные спиральные узоры.

Чтобы понять, как энергия распределяется и потребляется обоими типами волн и как это связано с законами рассеяния и распределения энергии (термодинамикой), постдок и первый автор исследования Шэн Чэнь измерил потребление энергии механическими и химическими волнами, движущимися в разных клетках.

Вопреки ожиданиям, ученые с удивлением обнаружили организованную энергетическую систему, зависящую от расстояния до термодинамического равновесия. Они выяснили, что клетки демонстрируют оптимальное, выгодное состояние — "золотую середину" между двумя типами волн, дающую максимум энергии для обеспечения функций клетки.

Открытие принципов распределения энергии внутри клеток углубляет наше понимание физики, управляющей клеточной энергетической динамикой, и её ключевой роли в важнейшем клеточном поведении.

Из своих лабораторий в Вест-кампусе Йельского университета ученые планируют использовать математическое моделирование и машинное обучение, чтобы дальше количественно оценить взаимосвязь между различными волновыми паттернами и конкретными функциями клеток, связанными с распространением болезней.