Крупномасштабное моделирование показывает влияние ограниченного пространства на макромолекулы клетки
С помощью крупномасштабного компьютерного моделирования исследователи показали влияние ограниченного пространства (конфайнмента) на макромолекулы внутри клеток. Эта работа — первые шаги к симуляции живой клетки, что позволит задавать «что, если» вопросы, невозможные для изучения в реальных организмах.
Исследование может помочь лучше понять межклеточную сигнализацию и дать информацию для разработки новых классов терапевтических средств.
Ключевые выводы моделирования:
- Частицы в переполненной клетке имеют тенденцию задерживаться у клеточных стенок.
- Ограниченность пространства и вязкость внутриклеточной жидкости заставляют частицы двигаться медленнее, чем в неограниченном пространстве.
Эта работа, поддержанная Национальным научным фондом (NSF), считается первой, где учтены эффекты конфайнмента на внутриклеточную макромолекулярную динамику. Результаты опубликованы 16 ноября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Метод и сравнение:
- Ранние симуляции предполагали, что движение внутри клетки аналогично движению в неограниченном пространстве, что давало меньшую точность.
- Новая модель рассматривает клетку как очень гетерогенную и плотную среду, где до 40% объема занято, подобно «переполненной вечеринке».
- Используя принципы броуновской и стоксовой физики, исследователи смоделировали до полумиллиона объектов в сферической клетке диаметром в несколько микрон.
Научные последствия:
- У стенки: Длительное нахождение частиц у стенки может быть важно для биологических взаимодействий, например, для первичного контакта сигнальных белков из других клеток, что влияет на трансдукцию сигналов.
- В центре клетки: Движение частиц замедлено даже
вдали от стенки. Это «палка о двух концах»:
- Замедление увеличивает вероятность реакций между уже находящимися рядом молекулами.
- Но оно же затрудняет сближение удаленных друг от друга молекул.
Дополнительные наблюдения:
- Наличие частиц разного размера не оказало существенного влияния на общее поведение системы.
- Движения соседних частиц коррелировали, что, вероятно, связано с гидродинамическими силами.
Значение моделирования:
Главное преимущество симуляции перед изучением реальной клетки — возможность включать и выключать определенные силы (например, гидродинамические) для изоляции эффектов других процессов. Это становится инструментом для формирования гипотез, которые затем можно проверить экспериментально.
Как отметил соавтор работы Эдмонд Чау: «Это виртуальная система, и вы можете играть с ней во все игры, которые захотите».