Нанотрубки: клеточные мембраны по требованию

Биологи исследуют, как клетка быстро увеличивает площадь своей мембраны при делении или формировании транспортных везикул. Для быстрого доступа мембраны хранятся внутри клеток в виде нанотрубок — подобно сложенному тенту. Исследователи из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Потсдаме обнаружили новый механизм образования стабильных мембранных нанотрубок.

Трубчатые мембранные структуры встречаются во многих частях клетки: в аппарате Гольджи, митохондриях или эндоплазматическом ретикулуме. Их диаметр — от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Тонкие трубки идеально подходят для хранения большого количества мембраны в малом объёме. Ранее считалось, что моторные белки вытягивают нанотрубки из мембран, но они не всегда присутствуют в местах образования трубок.

Потсдамские исследователи, возможно, нашли ответ. Механизм генерирует стабильные нанотрубки без приложения внешних сил и, видимо, без участия моторных белков. Часть механизма основана на осмосе.

Учёные использовали искусственные везикулы размером с клетку, содержащие смесь двух полимеров — полиэтиленгликоля (PEG) и декстрана. Везикулу поместили в гипертонический раствор, что заставило её выделить воду и уменьшиться в объёме.

Вместо простого сжатия отток воды повысил концентрацию полимеров внутри, что привело к их разделению. Образовались две отдельные капли разного размера, похожие на снеговика: большая сфера (в основном PEG) и меньшая (преимущественно декстран).

С помощью флуоресцентного микроскопа учёные наблюдали, как в области, богатой PEG, формировались мембранные нанотрубки, которые скапливались на границе между двумя каплями. Около 15 % поверхности мембраны хранилось в этих трубках. Диаметр трубок, по оценкам, составляет около 240 нанометров.

Объяснительная модель такова: при разделении полимеров возникают потоки растворов разной плотности, которые воздействуют на мембрану и способствуют образованию трубок.

Теоретический анализ показал, что стабильные трубки возникают только при асимметричной молекулярной структуре двух сторон мембраны. Эта асимметрия вызвана взаимодействием мембраны с биополимерами: высокая концентрация молекул PEG с одной стороны и их отсутствие с другой. Поскольку PEG взаимодействует с липидами мембраны, мембрана стремится изогнуться внутрь. Образование нанотрубок соответствует этому поведению. Нанотрубки исчезают, если позволить везикуле снова набухнуть через осмос.

Биофизики полагают, что этот вновь обнаруженный механизм может использоваться в живых клетках для хранения мембранной поверхности, хотя доказательство этого ещё предстоит получить.