Теория пузырьков поднимает клеточную биологию в новую, более количественную эпоху

Физико-математическая теория, описывающая образование пузырьков в бокале шампанского, легла в основу подхода к инженерии живых клеток.

Исследование, опубликованное 22 сентября в Nature, показывает, как устоявшаяся физическая теория, управляющая образованием пузырьков и капель, привела к новому пониманию принципов организации содержимого живых клеток. Эта работа знаменует кардинальный сдвиг в способности исследователей как понимать, так и контролировать сложные мягкие материалы внутри наших клеток.

"Этот подход распространен в материаловедении, но мы адаптировали его для беспрецедентной работы с клетками", — сказал руководитель исследования Клиффорд Брангвинн, профессор инженерии и директор Princeton Bioengineering Initiative.

Текущая работа следует за открытием Брангвинна более десяти лет назад, что клеточные белки организуются в жидкие структуры внутри клетки. Это понимание породило новую область исследований, изучающую, как части клеток формируются подобно каплям масла в воде. Ученые с тех пор ломали голову над точными деталями того, как эти структуры собираются. Но измерить динамику отдельных молекул внутри клетки сложно, где таинственные, перекрывающиеся процессы хаотично бурлят, а крошечные структуры формируются и растворяются тысячу раз в секунду.

Постдокторант Шунсуке Шимобэяси, изучавший физику мягкого вещества в Киотском университете, задался вопросом, может ли его опыт работы с органическими соединениями липидами пролить свет на эту проблему. Если молекулы белка конденсируются из своего окружения так же, как масло отделяется от воды, возможно, математика, описывающая первые шаги этого процесса, называемого нуклеацией, окажется полезной и для белков.

Шимобэяси обратился к классической теории нуклеации — краеугольному камню материаловедения. Ее уравнения лежали в основе некоторых из самых profound технологических преобразований XX века — от климатических моделей, впервые показавших глобальное потепление, до удобрений, которые помогли вывести миллиарды людей из голода.

Он также четко осознавал критическое различие: эти уравнения описывают простые, неодушевленные системы, а внутренность клетки находится в смятении. "Это гораздо более сложная материальная среда для биомолекул", — сказал Шимобэяси. Но он продолжил работу, сотрудничая с теоретиками Пьером Ронсере и Микко Хаатаей, профессором машиностроения и аэрокосмической техники. Исследователи упростили теорию до двух самых важных параметров, адаптировав ее, чтобы попытаться понять, как процесс может работать в клетках. Затем, чтобы проверить теорию, Шимобэяси использовал продвинутый белковый инструмент, разработанный в лаборатории Брангвинна в 2018 году, который предоставил идеальную, упрощенную систему, имитирующую естественный процесс в клетках. Объединив подходы, они получили ошеломляющий результат.

Когда Шимобэяси попытался индуцировать мгновенное зарождение капель, система дала сбой. Но когда он "засевал" капли медленнее, они нуклеировались в строго определенных местах, в точном соответствии с его адаптированной теорией. Он предсказал, как, где и когда белковые капли формируются, с, по словам Брангвинна, "замечательной точностью".

Затем команда вернулась к сложной реальности нативных клеточных структур. Учтя все процессы, влияющие на концентрацию белков, они обнаружили, что теория работает так же хорошо. Они количественно описали сборку белков молекула за молекулой в сложные жидкие структуры, регулирующие самые базовые процессы жизни. Эти структуры не только выглядят и ведут себя как масло в воде, сказал Шимобэяси, но и формируют капли по тем же базовым схемам нуклеации, группируясь вокруг мельчайших вариаций в своей среде со скоростью, которую можно предсказать с той же количественной точностью, как и для других материалов.

С этой предсказательной силой приходит ускоренная инженерная способность, считает Брангвинн. Он уверен, что количественное описание биомолекулярных процессов и разработка предсказательных моделей по образцу физики приведут к миру, где мы больше не будем пассивно наблюдать, как наши близкие succumb to болезням вроде Альцгеймера.

"Сначала мы должны понять, как это работает, с помощью количественных математических framework, которые являются краеугольным камнем инженерных чудес общества. А затем мы можем сделать следующие шаги, чтобы манипулировать биологическими системами с большим контролем", — сказал Брангвинн. "Нам нужно уметь поворачивать ручки".

Помимо Брангвинна и Шимобэяси, авторами исследования являются Пьер Ронсере, бывший постдокторант в Принстоне; Дэвид В. Сандерс, постдокторант в лаборатории Брангвинна; и Микко Хаатая, профессор машиностроения и аэрокосмической техники. Работа была поддержана, в частности, Howard Hughes Medical Institute, National Institutes of Health и Princeton Center for Complex Materials.