Исследование проливает свет на транспорт материалов в переполненных клеточных «магистралях»

Внутренняя среда животной клетки похожа на небольшой город с «фабриками» — органеллами, отвечающими за производство, выработку энергии, утилизацию отходов и другие жизненные функции. Сеть внутриклеточных «магистралей» — микротрубочек — позволяет биомолекулярным комплексам, продуктам и другому грузу быстро перемещаться по клетке, поддерживая работу этой жизненно важной системы. Новая статья, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает, как клеткам удаётся поддерживать плавное движение по этой загруженной транспортной сети, чей сбой может привести к различным заболеваниям, включая болезнь Альцгеймера и рак.

Исследование «Движение самоорганизующихся грузов моторными белками в переполненной среде» было проведено под руководством Дженнифер Росс (Университет Массачусетса в Амхерсте) и Эркана Тюзеля (Вустерский политехнический институт). Учёные изучили, как белки-моторы (своеобразные «грузовики» транспортной сети) кооперируются, чтобы минимизировать заторы и максимизировать расстояние, которое проходит груз.

В эксперименте в качестве груза использовались квантовые точки (наноразмерные полупроводники, ярко светящиеся под микроскопом). Их присоединяли к отдельным моторным белкам, которые затем крепились к микротрубочке. Моторные белки «шагают» вдоль микротрубочек, циклически прикрепляя и открепляя части своей структуры, подобно движению человека, карабкающегося по верёвке. Учёные наблюдали за движением квантовых точек по мере увеличения «трафика» — добавления всё большего числа моторных белков в эту упрощённую транспортную систему.

Ключевые результаты:

• При увеличении трафика точки двигались медленнее, но проходили большее расстояние, прежде чем отсоединиться от микротрубочки.
• Число пауз в движении точек росло, но длительность каждой паузы сокращалась с увеличением концентрации моторных белков.

Предложенный механизм:

При высокой концентрации несколько моторных белков одновременно связываются с одной квантовой точкой. Подобно грузовикам, едущим параллельно по многополосной магистрали, эти белки, вероятно, прикрепляются к разным протофиламентам микротрубочки (микротрубочка состоит из 13 параллельных протофиламентов, образующих полую трубку).

Когда один белок наталкивается на препятствие (например, другого моторный белок), движение точки приостанавливается. Однако сила, создаваемая другими белками, тянущими этот же груз, заставляет точку отцепиться от заблокированного белка. Чем больше белков тянет груз, тем больше общая сила и тем быстрее происходит отцепление от «пробок», что сокращает длительность пауз.

Таким образом, моторные белки способны кооперироваться, чтобы обходить препятствия и удерживать груз на микротрубочке даже в условиях плотного трафика. «Это первое исследование, которое действительно рассматривает работу внутриклеточной транспортной системы в условиях скученности, типичных для живых клеток», — отметил Эркан Тюзель.

Понимание этой системы критически важно, поскольку она обеспечивает жизнедеятельность всех животных клеток и лежит в основе фундаментальных процессов, таких как деление клетки. Сбои в этом транспортном механизме связаны с развитием ряда заболеваний, включая нейродегенеративные (болезни Хантингтона и Альцгеймера) и рак.