Как потоки внутриклеточной жидкости влияют на формирование сложных паттернов

Формирование паттернов — универсальное явление, лежащее в основе фундаментальных биологических процессов, таких как концентрационные паттерны белков, которые направляют деление клеток, полярность и движение. Эти паттерны возникают из взаимодействия химических реакций и пространственного транспорта белков, который может быть пассивным (диффузия) или активным (потоки). В отличие от диффузии, транспорт потоками имеет чёткое предпочтительное направление.

До сих пор влияние потоков на белковые паттерны было мало изучено. Команда под руководством физика LMU профессора Эрвина Фрея в сотрудничестве с профессором Сесом Деккером из Делфтского технического университета исследовала этот фундаментальный вопрос на примере системы белков Min у E. coli. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Исследователи использовали междисциплинарный подход, сочетающий эксперименты с микрофлюидными системами и новую теорию формирования белковых паттернов, разработанную группой Фрея. В микрофлюидной системе белки Min могут связываться и отсоединяться от липидного бислоя, покрывающего стенки камеры, что позволяет изучать поведение белков в условиях, близких к внутриклеточным.

Учёные показали, что потоки жидкости вызывают движение и ориентацию мембраносвязанных белковых паттернов. Неожиданно, волнообразные паттерны могут двигаться как по направлению потока, так и против него. Направление распространения зависит от соотношения концентраций белков. Также было показано, как направление движения паттернов тонко зависит от химических реакций между белками.

«Мембраносвязанные паттерны могут распространяться против потока, потому что поток в цитоплазме смещает концентрации белков, но не оказывает прямого влияния на белки, уже связанные с мембраной», — поясняет Фрей. «Влияние потока на белковые паттерны определяется тем, как белки накапливаются и осаждаются на мембране».

Исследователи предполагают, что использование потоков жидкости может стать универсальным инструментом для управления белковыми паттернами и изучения молекулярных механизмов их формирования.