Новый метод анализа данных различает активные и пассивные флуктуации внутри клеток

Внутри каждой живой клетки её внутренние структуры постоянно движутся. Под микроскопом можно увидеть, как органеллы — ядро, митохондрии, транспортные везикулы или даже внешние жгутики — колеблются и дёргаются. Это может происходить спонтанно, когда эти крошечные структуры пассивно сталкиваются внутри клетки. Но, вероятно, дело не только в этом. Часто клетка тратит дополнительную энергию на эти движения, чтобы улучшить свои функции способами, которые мы пока не до конца понимаем.

На микроскопическом уровне частицы в жидкости или газе могут двигаться в ответ на "бомбардировку" окружающими молекулами. Такие пассивные, термически индуцированные движения часто очень трудно отличить от активно управляемых движений. Просто глядя на них, невозможно сказать, вызваны ли конкретные движения внутри клетки просто тепловым движением или же они подталкиваются дополнительным вводом энергии.

Учёные из MIT, Гёттингенского университета, Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана, Свободного университета Амстердама и Йельского университета разработали неинвазивный метод анализа данных, который может определить, является ли случайное движение объекта активным или термически обусловленным. После отслеживания конформаций или местоположений, через которые проходит структура внутри клетки или частица при движении, и наблюдения за тем, как частица переходит между такими состояниями, исследователи применяют фундаментальный принцип статистической физики, чтобы определить, являются ли случайные движения активными или тепловыми.

Никта Фахри, доцент кафедры физики MIT, говорит, что результаты помогут учёным выявить "скрытые" активные процессы, которые заставляют компоненты клетки двигаться, казалось бы, случайным образом.

"Мы хотим увидеть, являются ли определённые динамики в живых системах — будь то клетки, ткани или целые организмы — которые на первый взгляд выглядят как случайное тепловое движение, на самом деле активно управляемыми", — говорит Фахри, первый соавтор статьи. "Это важно, потому что если клетка тратит на это энергию, то с этим процессом должна быть связана жизненно важная функция. Наша работа предоставляет практический экспериментальный метод для выявления активных, неравновесных процессов при наблюдении за биологическими системами".

Фахри и её коллеги опубликовали свои результаты в журнале Science.

Встряхивая вещи

Наблюдения за движениями микроскопических частиц восходят к 1827 году, когда шотландский ботаник Роберт Браун смотрел в микроскоп на пыльцевые зёрна в воде. Он заметил, что зёрна содержат крошечные частицы, которые энергично подрагивали, и сначала решил, что их движение означает, что частицы каким-то образом живы и движутся самостоятельно. В конце концов Браун отказался от этой теории, когда наблюдал такое же подрагивание у инертных частиц из горных пород, поняв, что простое наблюдение за движением частицы не обязательно означает, что она жива.

Сегодня учёные знают, что такие частицы толкаются ещё более мелкими молекулами воды, которые сами находятся в постоянном движении. При повышенных температурах молекулы воды обладают кинетической энергией и могут оставаться вечно беспокойными. На микроскопических масштабах эти крошечные молекулы и атомы могут "бомбардировать" другие, гораздо более крупные частицы. Это явление теперь известно как броуновское движение. Современные учёные настолько привыкли видеть броуновское движение, что часто предполагают, что частица, движущаяся случайным образом, скорее всего, находится в тепловом равновесии — состоянии, в котором система не рассеивает энергию и, следовательно, нежива.

В живых клетках, конечно, многие органеллы или частицы имеют тенденцию двигаться "баллистически", преодолевая некоторое расстояние по чётко направленной или колебательной траектории. Эти типы движений, по словам Фахри, представляют собой анимированное состояние, которое должно быть вне равновесия, требуя от системы затрат энергии. Однако интересны ситуации, когда частицы хаотично дёргаются и, кажется, находятся в равновесии, но на самом деле движутся активно.

Кадр за кадром

Фахри и её коллеги поставили перед собой задачу разработать метод статистической физики, который позволил бы им, просто снимая частицу на видео, определить, являются ли её случайные движения тепловыми или активными по своей природе.

С помощью видеомикроскопии они изучили, кадр за кадром, колебательное движение жгутика водоросли Chlamydomonas. Они разложили основу жгутика на ряд форм, создав таким образом фазовое пространство состояний, через которые проходит жгутик, завершая колебательный цикл. Затем они подсчитали переходы между состояниями. В тепловом равновесии переходы туда и обратно между всеми состояниями должны быть сбалансированы. Однако они наблюдали явный дисбаланс в этих переходах, что подтвердило уже известный факт: жгутик тратит энергию на это активное колебательное движение.

Затем они проанализировали движения реснички клетки почки — похожего на антенну отростка, который на первый взгляд кажется пассивно дёргающимся туда-сюда. Отслеживая ориентацию и кривизну реснички и подсчитывая переходы между состояниями, они наблюдали лёгкий дисбаланс в переходах, указывающий на неожиданный активный процесс, управляющий ресничкой, несмотря на её пассивный вид.

Фахри говорит, что новый метод поможет учёным раскрыть новые способы, которыми клетки рассеивают энергию, что, в конечном счёте, является ключом к поддержанию жизни. Ведь, как отметил австрийский физик Эрвин Шрёдингер, "живая материя избегает распада до теплового равновесия".

"Почти столетие спустя, благодаря работе этого сотрудничества, мы теперь можем пойти дальше и выяснить, как клетки распределяют свой энергетический бюджет и, в частности, почему они часто тратят много энергии на создание этих, казалось бы, случайных движений", — говорит Фахри.