Молекулярный «самурайский меч» контролирует рост растений

Исследователи из AMOLF и Вагенингенского университета использовали умную программу моделирования для изучения растительного белка катанина и опубликовали результаты в журнале PNAS.

Катанин, названный в честь японских мечей катана, оправдывает своё имя. Этот белок рассекает белковые микротрубочки, которые служат каркасом для основных строительных блоков растений, таких как целлюлоза. В результате микротрубочки растут в правильном направлении, направляя дальнейший рост и деление растительных клеток и, следовательно, развитие всего растения.

Самоорганизующийся механизм

Растительные клетки невероятно велики по сравнению с животными, где достаточно центральной точки распределения микротрубочек. Растениям же нужен децентрализованный и самоорганизующийся механизм, который тщательно управляет ростом микротрубочек. Белок-«самурайский меч» катанин играет в этом механизме ключевую роль.

Не беспорядочное рассечение

Долгое время считалось, что катанин создаёт больше хаоса, поскольку число степеней свободы увеличивается при рассечении микротрубочек надвое. Однако этот вывод оказался близоруким. Исследователи под руководством Белы Мульдера обнаружили, что белок рассекает не беспорядочно. Он работает по фиксированной стратегии, которая гарантирует, что все микротрубочки растут в правильном направлении.

«Микротрубочки запрограммированы так, что при столкновении друг с другом они перестают расти и даже начинают сжиматься, — говорит Мульдер. — Это базовый механизм, лежащий в основе организации. Катанин вступает в действие как резервный механизм, если две микротрубочки пересекаются, не сталкиваясь — то есть если они растут не в одном направлении. Мы видим, что белок обычно рассекает микротрубочку, лежащую сверху, то есть ту, которая прибыла последней».

Эти наблюдения позволили решить парадокс катанина. Учёные показали, что катанин направляет механизм отбора, который способствует организации микротрубочек — «корсета», в который они упакованы.

Тесты «in silico»

Важным аспектом исследования была программа моделирования, которую использовала группа Мульдера. Она была изначально разработана его бывшим аспирантом Саймоном Тиндемансом, а затем расширена и усовершенствована Евой Дейнум во время её докторских исследований в AMOLF.

Используя эту программу, исследователи могли наблюдать, как небольшие вариации в белке катанине приводят к радикально разному поведению при рассечении, что оборачивалось полным хаосом. В симуляциях группа провела тесты «in silico» эффектов различных мутаций на функцию белка. Это выявило, что только природная, немутировавшая версия обладает правильной стратегией рассечения.

Высокая скорость моделирования была ключевой для успеха исследования, говорит Дейнум. «Благодаря этому мы могли запускать симуляции в 10 000 раз быстрее, чем конкурирующие исследовательские группы. Мы не только работали намного быстрее, но и могли тестировать больше вариаций внешних параметров и условий. Это также качественно повлияло на полученные результаты. Например, мы смогли точно определить условия, при которых белок катанин способствует упорядочиванию».