Раскрыта тайна вихревых потоков в яйцеклетках
Яйцеклетки — самые крупные одиночные клетки на планете. Их размер, часто в десятки и сотни раз превышающий размер типичной клетки, позволяет им развиться в целый организм, но также затрудняет транспорт питательных веществ и других молекул внутри клетки. Учёным давно известно, что созревающие яйцеклетки (ооциты) генерируют внутренние, похожие на торнадо, потоки жидкости для транспорта питательных веществ, но механизм их возникновения оставался загадкой.
Исследование, проведённое специалистами по вычислительным наукам из Flatiron Institute совместно с коллегами из Принстонского и Северо-Западного университетов, показало, что эти потоки возникают органически из взаимодействия нескольких клеточных компонентов.
Работа, опубликованная в Nature Physics, использовала теорию, продвинутое компьютерное моделирование и эксперименты с яйцеклетками плодовой мушки (Drosophila), чтобы раскрыть механику «торнадо». Результаты помогают лучше понять фундаментальные вопросы развития яйцеклеток и клеточного транспорта.
В типичной человеческой клетке молекуле белка требуется 10–15 секунд, чтобы добраться от одной стороны клетки к другой путём диффузии. В яйцеклетках плодовой мушки на это ушёл бы целый день. Вместо этого ооциты развили «вихревые потоки», которые циркулируют внутри клетки, быстро распределяя белки и питательные вещества.
Исследователи использовали продвинутый пакет биофизического ПО с открытым исходным кодом SkellySim, разработанный в Flatiron Institute. С его помощью они смоделировали клеточные компоненты, создающие вихри:
- Микротрубочки — гибкие нити, выстилающие внутреннюю часть клетки.
- Молекулярные моторы — специальные белки, которые несут «грузы» (payloads) — группы молекул, играющих ключевую роль в генерации потоков.
Моделирование движения тысяч микротрубочек под действием сил, создаваемых молекулярными моторами, показало, что внутри ооцита микротрубочки изгибаются под нагрузкой. Это изгибание заставляет двигаться окружающую жидкость, что, в свою очередь, может переориентировать другие микротрубочки.
В достаточно большой группе изгибающихся микротрубочек все они начинают изгибаться в одном направлении, и потоки жидкости становятся кооперативными. Коллективно изогнутые микротрубочки и движущиеся «грузы» создают водоворот или вихревой поток через всё яйцо. Благодаря этим вихрям молекулы могут пересечь клетку за 20 минут вместо 20 часов.
Модель показала, что для создания этого функционального потока системе требуется всего несколько ингредиентов: только микротрубочки, геометрия клетки и молекулярные моторы, несущие грузы.
Новые результаты закладывают основу для лучшего понимания развития яйцеклеток и могут помочь разгадать транспорт материалов в других типах клеток. Поскольку микротрубочки играют центральную роль в делении клеток почти у всех эукариот (растений и животных), эта модель может помочь в решении многих других интересных проблем клеточной биофизики.