Как образуются и поддерживают динамические состояния клеточные волокна

Клетки собираются динамически: их компоненты постоянно обмениваются и заменяются. Это позволяет структурам легко адаптироваться к различным ситуациям, быстрее реагировать на стимулы, обновляться или формироваться по требованию. Микротрубочки — каркасная структура из белковых волокон, присутствующая в цитоплазме клеток водорослей, растений, грибов, животных и человека, — являются примером такой динамической сети.

Благодаря самоорганизующейся структуре эти волокна постоянно одновременно образуются и распадаются, активно помогая клетке в таких сложных задачах, как деление или движение. Для формирования и поддержания таких динамических состояний волокнам требуется энергия. Впервые профессор д-р Андреас Вальтер и д-р Лаура Хайнен из Института макромолекулярной химии и Центра интерактивных материалов и биоинспирированных технологий (FIT) Фрайбургского университета смогли запрограммировать динамику подобных диссипативных (то есть потребляющих энергию) структур в искусственной химической системе на основе компонентов ДНК. Результаты представлены в последнем выпуске журнала Science Advances.

Сложность программируемой структурной динамики в синтетических диссипативных системах заключается в синхронизации энергетической деактивации и активации со структурным построением и деградацией компонентов. Исследователи решили проблему, использовав энергетически управляемую динамическую ковалентную связь (ответственную за прочное сцепление атомов) в основной цепи последовательностей ДНК. Эта ковалентная связь образуется благодаря каталитической активности фермента T4 ДНК-лигазы и одновременно расщепляется на том же самом участке рестрикционным ферментом, который может распознавать и разрезать ДНК в специфичных позициях. Эта новая система обратима и напрямую приводит к структурной динамике, что отличает её от предыдущих искусственно созданных диссипативных структур.

В исследовании на примере динамического синтеза полимера из фрагментов ДНК показано, как время жизни, частота обмена или относительная доля связей в ДНК-полимерах могут контролироваться в зависимости от химического "топлива" аденозинтрифосфата (АТФ) и концентраций ферментов. Учёным удалось поддерживать эти динамические стационарные состояния в течение нескольких дней.

Химические модификации ДНК для её использования в качестве строительного материала разнообразны, а доступных рестрикционных ферментов также много, поясняет Хайнен: "Таким образом, наша концепция открывает широкий доступ к инновационным функциональным материалам, которые действуют вне термодинамического равновесия. И делает это с уникальными на сегодняшний день возможностями программирования их динамических структурных характеристик".