Клеточные «землетрясения» могут помогать клеткам реагировать на внешний мир

Цитоскелет, изменчивая сеть филаментов внутри клетки, обеспечивает её структурную целостность, помогает организовывать структуру и общаться с окружающей средой. Несколько лет назад учёные заметили, что части цитоскелета иногда перестраиваются очень быстро, вызывая похожее на землетрясение возмущение. Эти явления назвали цитокваками, но их причина и механизм были неизвестны.

Новые компьютерные симуляции, разработанные исследователями из Университета Мэриленда, показали, что цитокваки вызваны медленным накоплением и внезапным высвобождением механической энергии внутри клетки. Учёные полагают, что «землетрясения» могут помогать клетке быстро реагировать на внешние сигналы, такие как химические вещества от других клеток или гормоны в кровотоке.

Исследование опубликовано 4 октября 2021 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Цитоскелет — это внутренние «строительные леса» животной клетки, сеть филаментов, которые постоянно растут, сокращаются, присоединяются и отсоединяются друг от друга. Помимо структуры, они служат «рельсами» для химических сигналов.

Исследователи предположили, что внезапная перестройка при цитокваке — результат особой чувствительности физической структуры цитоскелета к среде. Это можно сравнить с кучей песка, которая долго держит форму, но затем внезапно обрушивается, в отличие от устойчивого кирпича.

Для проверки гипотезы команда создала компьютерную симуляцию модели цитоскелета с помощью разработанного ими программного обеспечения MEDYAN (mechanochemical dynamics of active networks), которое применяет законы химии и физики для моделирования взаимодействий молекул.

Исследование показало, что филаменты в цитоскелете организуются подобно изменчивой тенсегрити-структуре (геометрической конструкции из тросов и стержней, находящихся в напряжении и сжатии). Анализ таких структур помог понять высвобождение напряжения в цитоскелете. Напряжение, приложенное к одной области, может накапливаться и вызывать напряжение, пока оно внезапно не высвободится в другой области. То есть цитоскелет ведёт себя скорее как куча песка, чем как кирпич.

Физическая структура цитоскелета позволяет напряжению накапливаться между некоторыми филаментами, подобно напряжению между зёрнами песка в куче или между тектоническими плитами вдоль разлома. При достижении некоторого порога напряжение внезапно высвобождается, происходит «землетрясение» или цитоквак.

Этот механизм, по мнению учёных, позволяет клетке быстро реагировать на внешние сигналы. Например, клетке, участвующей в заживлении ран, цитоквак может помочь резко прийти в движение в ответ на химические сигналы с места повреждения. При миграции клетки этот механизм может использоваться для выдвижения или свёртывания выступов на её переднем крае.

Следующим шагом команды будет расширение методов симуляции для включения других частей клетки, таких как ядро. В перспективе учёные хотят создать фундаментальную модель целой клетки с разрешением отдельных молекул.