Как работает наномышца

Клетки человеческого тела постоянно получают вещества извне через процесс эндоцитоза. Один из важных путей эндоцитоза включает образование выпячивания внутри клеточной мембраны, направленного внутрь клетки, которое запускается, когда молекула, нуждающаяся в попадании внутрь, достигает мембраны. Выпячивание оборачивается и смыкается вокруг молекулы, после чего отрезается, оставляя упакованную молекулу (так называемый везикул) внутри клетки. Ключевую роль в механизме отрезания играет динамин — белок, способный локально «сжимать» клеточные мембраны и отсекать их части. Однако точный механизм сжатия до конца не изучен.

Теперь, комбинируя эксперименты и симуляции, исследующие динамику дина-мина, Александр Михайлов из Университета Канадзавы и его коллеги показали, что работа такой «наномышцы» напоминает работу храпового механизма.

Динамин состоит из спиральных филаментов, которые обвиваются вокруг шейки формирующегося в мембране везикула. В присутствии GTP (молекулы, которую можно рассматривать как биохимическое «топливо», так как она обеспечивает энергию) эти филаменты начинают скользить, сжимая шейку везикула.

Чтобы получить детальное представление о механизме сжатия, исследователи использовали технику smFRET (single molecule fluorescence resonance energy transfer), которая позволяет измерять расстояния в биомолекулах. Полученные данные показали, что возникают разные конформации филаментов дина-мина в зависимости от того, связаны они с GTP и его продуктами или нет. Эти различные конфигурации приводят к образованию по-разному ориентированных молекулярных «мостиков» между соседними витками спирали. Поставка и гидролиз GTP индуцируют силовые удары в поперечных мостиках и генерируют крутящий момент филамента.

Затем учёные создали вычислительную модель набора филаментов дина-мина, обёрнутых вокруг мембранного выпячивания, учитывая структурные изменения и их временные масштабы, наблюдаемые в smFRET-измерениях. Мембрана моделировалась как деформируемая цилиндрическая трубка, а филаменты — как цепочки шариков, соединённых активными поперечными мостиками, приводимыми в действие GTP. Симуляции показали, что совместное движение поперечных мостиков создаёт силу, достаточную для разрезания мембранной трубки.

Работа Михайлова и его коллег количественно подтверждает модель сжатия по принципу храповика для наномышцы дина-мина — самого мощного в природе мотора, генерирующего крутящий момент. Исследователи пояснили, что их «экспериментальное и вычислительное исследование представляет собой пример того, как можно подойти и явно разрешить вопрос о коллективном действии моторов в мегадальтонных молекулярных сборках».