Эволюционная модель предсказывает разделение молекул внутри клеток

Исследователи из Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка (MPI-DS) в Гёттингене (Германия) и Делфтского технического университета (Нидерланды) разработали новый теоретический метод для изучения смесей, состоящих из множества различных молекул. Они проанализировали, как молекулы взаимодействуют для надёжного образования различных капель, что постоянно происходит в живых клетках. С помощью этой модели впервые можно предсказать образование специфических капель на основе множества взаимодействующих молекул. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Теоретический физик Давид Цвиккер и биофизик Лидевей Лаан стремятся разгадать тайны жизни, в частности, фундаментальные принципы работы живых клеток. «Меня всегда удивляет, что клеточные процессы вообще работают, ведь клетка состоит из тысяч различных молекул, которые должны работать вместе, не мешая друг другу», — говорит Цвиккер. Учёные создали компьютерную модель, позволяющую исследовать сложные жидкости, подобные жидкости внутри клетки. «Несмотря на свою сложную химическую и физическую природу, молекулы внутри клеток часто организованы в виде капель», — добавляет Лаан. «С помощью нашего подхода мы смогли воспроизвести образование этих капель и открыли новые пути для исследования этого механизма», — говорит Цвиккер.

Биологические клетки — невероятно сложные машины, для работы которых требуется взаимодействие тысяч различных молекул. Для их координации молекулы разделены на разные компартменты внутри клеток. Поскольку среда и внутреннее состояние клеток постоянно меняются, эти компартменты должны формироваться и поддерживаться надёжно. Большинство известных компартментов, включая ядро и митохондрии, окружены мембранами, которые служат барьерами, определяющими их форму и контролирующими состав. Однако многие меньшие компартменты не имеют мембраны и поэтому часто ведут себя более динамично. Такие компартменты обнаружены в клетках животных, растений и бактерий. Они могут формироваться спонтанно, а взаимодействия между вовлечёнными молекулами контролируют их состав.

Чтобы понять, как множество различных молекул организуется в таких безмембранных компартментах, Цвиккер и Лаан теоретически изучили физический процесс образования капель. До сих пор лежащая в основе теория была хорошо понятна только для простого случая двух типов частиц, например, отделения масла от воды в винегрете. Чтобы изучить более реалистичную клеточную среду с большим количеством молекулярных взаимодействий, исследователи представили численный метод, который предсказывает состав капель.

Новый численный подход открывает возможность ответить на ключевые вопросы, включая то, сколько различных капель образуется надёжным образом. «Ключевое понимание в том, что за миллиарды лет эволюции взаимодействия между клеточными молекулами были оптимизированы для образования правильных капель», — объясняет Цвиккер. Чтобы имитировать это на компьютере, исследователи корректировали взаимодействия, используя множество поколений мутаций и отбора, пока не формировалось определённое количество капель. Интересно, что многие различные наборы взаимодействий почти идеально приводят к заранее заданному количеству различных капель. Лаан комментирует: «Мы были рады обнаружить, что можем фактически воспроизвести эти смеси. Однако, возможно, с научной точки зрения ещё более захватывающим является тот факт, что мы не понимаем, как именно это работает. Но теперь мы намного ближе к тому, чтобы попытаться разгадать эти тайны жизни».

Цвиккер подчёркивает, что их исследование является частью более масштабной смены парадигмы в биологии: «До сих пор исследователи, как правило, изучали довольно сильные взаимодействия, например, между двумя белками, поскольку они более устойчивы и, следовательно, их легче изучать. В настоящее время капли, которые образуются из-за гораздо более слабых взаимодействий, изучаются всё больше, как теоретически, так и экспериментально, поскольку они, по-видимому, играют важную роль внутри клеток. Однако их анализировать гораздо сложнее, поскольку эти слабые взаимодействия могут нарушаться температурой, кислотностью, концентрацией соли и многими другими факторами». Настоящая работа предполагает, что сложное поведение, такое как образование капель, может надёжно возникать даже из таких слабых взаимодействий.