Исследование простых моделей клеток раскрывает механизмы деформации

Живые клетки должны активно изменять свою внешнюю форму, иначе такие функции, как деление клеток, были бы невозможны. В Техническом университете Мюнхена (TUM) биофизик профессор Андреас Бауш и его команда разработали синтетическую клеточную модель для исследования фундаментальных принципов лежащей в основе клеточной механики.

Модельные клетки для исследования клеточной механики

Внешняя оболочка модельной клетки состоит из двухслойной липидной мембраны, аналогичной естественным клеточным мембранам. Внутрь исследователи поместили биомолекулы, выполняющие важные функции в клетках животных. В экспериментах по деформации клеток они использовали продолговатые актиновые филаменты, которые обычно встречаются в цитоскелете.

Кроме того, они добавили белок анилин, который облегчает соединение актиновых филаментов для придания клетке структурной стабильности, и миозин в качестве молекулярного мотора, который клеткам необходим для генерации энергии, требуемой для клеточной деформации.

В эксперименте исследователи проанализировали, при каких условиях модельные клетки спонтанно подвергаются деформациям, при которых цитоскелетная мембрана либо принимает вогнутую форму, либо в определенных областях образует пузыревидное выпячивание в процессе, называемом «блеббинг». Силы, действующие на внешнюю форму клеток, противодействуют соответствующим силам в липидной мембране.

«Взаимодействие между цитоскелетом и клеточной мембраной является ключом ко всем изменениям формы», — говорит Этьен Лозо из рабочей группы Бауша и ведущий автор текущего исследования. «До сих пор цитоскелеты и везикулы обычно наблюдались отдельно. Взаимодействие этих двух важнейших компонентов почти не исследовалось».

Фокус на главном

Модельная клетка, созданная в рамках проекта, финансируемого кластером передового опыта Nanosystems Initiative Munich, работает с небольшим количеством компонентов. Соответствующие концентрации вовлеченных белков можно регулировать по мере необходимости и точно контролировать.

Бауш и его коллеги продемонстрировали, что ключевым фактором являются взаимодействия между белками в присутствии всех других компонентов. Именно благодаря взаимодействию различных компонентов возникают биологические функции. Очевидно, концентрация компонентов является решающей для того, каким образом клетки изменяют свою форму.

«Удивительно, но та же самая система белков, влияющих на выпячивание мембран (блеббинг), при немного других концентрациях приводит лишь к экстремальным деформациям», — говорит Бауш. «Понимание взаимодействий белков в контексте имеет важное значение — именно взаимные действия белков определяют функции».

Понимание механизмов действия

Хотя биологам удалось идентифицировать вовлеченные белки и гены в сложных клеточно-биологических и биохимических экспериментах, из-за сложности клеток, как правило, невозможно также понять фундаментальные механизмы действия. «Наш подход «снизу вверх», основанный на синтетической клеточной модели, полезен для понимания и объяснения важных функциональных взаимосвязей», — говорит профессор Бауш.

Пока эксперименты по клеточной деформации работают только в статических системах. На следующем этапе ученые надеются реконструировать и динамические процессы. Они хотят позволить формирование и рассеивание пузырей в цитоскелетной мембране, как это происходит в природе, создав тем самым искусственные модельные клетки, которые могут существовать и перемещаться автономно.