Крошечные капли позволяют заглянуть в реальную жизнь внутри живой клетки

Внутри клетки — оживленное и переполненное пространство, где белки и другие молекулы сталкиваются, перемещаясь в цитозоле, жидкости, заполняющей клетку. Взаимодействия между этими молекулами определяют активность клетки. Однако при изучении этих взаимодействий учёные обычно используют сильно упрощённые системы, не отражающие реальной сложности.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) создали безмембранные капли, в которых плотность и движение молекул аналогичны таковым в живых клетках. Метод, описанный в Nature Communications, позволяет изучать клеточные реакции в условиях, более точно отражающих поведение молекул в живой клетке, — сообщила профессор Паола Лаурино, руководившая работой.

Ключевой класс молекул в клетке — ферменты. Их задача — запускать химические реакции и регулировать их скорость. Обычно для изучения ферментов их добавляют в большой объём водного буфера, свободного от других молекул, а затем вводят субстрат — молекулу, на которую действует фермент. В такой системе буфер крайне разбавлен. «Это хорошая система, потому что фермент очищен, и мы на 100% знаем, что внутри, — сказала профессор Лаурино. — Но мы хотели создать систему, имитирующую высокую макромолекулярную тесноту цитозоля, и посмотреть, как это влияет на активность ферментов».

Для создания капель профессор Лаурино и её коллеги, включая учёных из ETH Zürich (Швейцария) и Института динамики и самоорганизации Макса Планка (Германия), смешали полимер полиэтиленгликоль (PEG) с белком в водном буфере. PEG создаёт эффект тесноты в жидкости, что заставляет крошечные, богатые белком капли отделяться в буфере. Затем учёные добавили в смесь фермент, который диффундирует в капли. Благодаря высокой концентрации содержимого капли действовали как реакционные камеры, где ферменты могли выполнять свою работу. Исследователи отслеживали скорость протекания реакции в каплях, а также физические свойства молекул внутри них.

При добавлении в раствор фермента лактатдегидрогеназы реакция протекала очень эффективно — с очень высокой метаболической скоростью, аналогичной наблюдаемой у микроорганизмов. «Это означает, что в наших каплях может быть много энергии», — сказал доктор Мирко Диндо, исследователь из лаборатории профессора Лаурино.

Затем учёные перешли к другому ферменту — уреазе, которая вызывает изменение pH в ходе реакции. Это создало внутри капель градиент pH, который вызвал сильный поток молекул. «Это явление в клетках называется цитоплазматическим потоком, и это очень важный механизм для перемешивания и движения веществ внутри клетки, — пояснил доктор Диндо. — Для нас очень интересно, что мы можем воспроизвести его в лаборатории».

Поскольку исследователи точно знают, сколько белка и фермента они добавили в буфер, реакция остаётся хорошо контролируемой. «Это на шаг ближе к реальной картине того, что происходит в клетке, — сказала профессор Лаурино. — Теперь у нас есть контролируемая система, воспроизводящая некоторые характеристики цитозоля. Мы можем использовать её для методичного изучения различных ферментов, чтобы понять, как такие особенности, как белковая теснота и скорость метаболизма, влияют на их активность».