Гибкость и самовосстановление клеточного скелета

Исследователи из CEA, CNRS и Университета Жозефа Фурье в Гренобле обнаружили у микротрубочек — основных элементов клеточного скелета — несколько неожиданных механических свойств, включая способность адаптироваться к нагрузке и самовосстанавливаться. Открытие стало возможным благодаря созданию микрофлюидного устройства для крепления, изгиба и измерения деформаций микротрубочек. Эти структуры играют ключевую роль в делении клеток и активности нейронов. Их динамика восстановления может вдохновить инженеров-материаловедов. Результаты опубликованы в журнале Nature Materials 7 сентября 2015 года.

Микротрубочки, главные компоненты внутренней архитектуры клетки, в 100 раз жестче других элементов цитоскелета. Благодаря этому они служат прямыми «рельсами» для транспорта белков от центра к периферии клетки. Их жесткость объясняется полой трубчатой структурой — эффективным способом создания жестких элементов при минимальном расходе материала. Для детального изучения механических свойств ученые из Лаборатории физиологии растительной клетки и Лаборатории междисциплинарной физики создали микрофлюидное устройство.

Чтобы преодолеть сложность внутриклеточной среды, микротрубочки изолировали и изучили их свойства в простых условиях. С помощью слабых гидродинамических потоков на них оказывали контролируемое давление, аккуратно изгибая. Оказалось, что при повторяющихся циклах давления микротрубочки изгибались все сильнее, но не ломались. Внешнее давление делало их более гибкими: структура способна перестраиваться и адаптироваться. Более того, после перерыва в несколько минут микротрубочки спонтанно восстанавливали исходную жесткость.

Структура микротрубочек состоит из 13 нитей, образующих полую трубку. Сами нити собраны из молекул тубулина. Используя тубулины разной концентрации и цвета, исследователи выяснили, что квазикристаллическая структура микротрубочек может содержать дефекты — слабые точки. Под нагрузкой нити расходятся именно в этих местах, повышая гибкость. В фазах покоя нити могут включать новые молекулы тубулина, восстанавливая поврежденную структуру и исходную жесткость.

Это исследование — первый шаг к пониманию работы микротрубочек, лежащих в основе регуляции деления клеток и активности нейронов. Вопреки классическим представлениям о соединении только на концах, механизмы самосборки нитей обеспечивают целый спектр ранее неизвестных механических и биохимических свойств. Материалы живых клеток становятся источником вдохновения для инженерии. Уникальные свойства самовосстановления и механической адаптации микротрубочек как динамических полимеров могут лечь в основу новых устройств для текстильной или электронной промышленности будущего.