Молекулярные движения на поверхности клетки, как известно, неслучайны, невероятно сложны и не подчиняются простым термодинамическим правилам. До недавнего времени было немного доступных экспериментальных инструментов для изучения таких явлений, чтобы действительно понять, как функционирует клеточная поверхность. Это изменилось с появлением новой экспериментальной системы, которая была разработана в тесном сотрудничестве между экспериментальными биологами из группы профессора Сатьяджита Майора в NCBS, учеными из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и физиками-теоретиками из группы профессора Мадана Рао в NCBS. и RRI (научно-исследовательский институт комбинационного рассеяния света). Экспериментальная система представляет собой минимальную модель клеточной поверхности, построенную из ее основных компонентов — очищенных жиров и белков, которые, как известно, являются частью клеточной поверхности.
Этот инструмент может стать ключом к пониманию того, как работает поверхность живой клетки.«Это только начало, но очень важное», — говорит профессор Сатьяджит Майор. "Важно, потому что это позволяет проверить идеи, которые пришли из теории, построенной вокруг предоставления объяснения активной организации на поверхности живой клетки.
Это захватывающее начало, поскольку осуществимость этой простой минимальной системы открывает огромные возможности для исследования мира. живой клетки в системе пробирки, где каждый элемент находится под нашим контролем. Эта работа основана на пословице «то, что мы понимаем, мы должны уметь построить», и заключается в попытке понять принципы, лежащие в основе того, как живой материал, поверхность клетки работает ", — добавляет он.«Активная композитная модель» клеточной поверхности — одна из последних теорий, которая пытается объяснить поведение молекул клеточной поверхности. Эта модель визуализирует клеточную поверхность не просто как клеточную мембрану, а как соединение двух элементов — клеточной мембраны, состоящей из жиров, и переплетенной сетки из белка «актин», который образует тонкий слой прямо под клеточной мембраной.
Другой белок, миозин, который взаимодействует с актином, ведет себя как молекулярный мотор и создает движение в сети актина, когда снабжается энергией. Многие белки клеточной поверхности, движение которых ставит ученых в тупик, часто связаны с динамической сетью актина, которая находится прямо под клеточной мембраной.Согласно активной композитной модели, исследователи решили воссоздать клеточную поверхность как сборку жировой мембраны и актиновой сети.
Таким образом, эта искусственная клеточная поверхность была сконструирована с использованием двойного слоя жира, актина и флуоресцентного белка, специально предназначенных для встраивания в мембрану, а также связи с актином. Используя различные микроскопические методы, группа смогла изучить поведение конструкции с помощью паттернов, сформированных флуоресцентными белками. Как и было предсказано «активной композитной моделью», было обнаружено, что динамика связанных с актином флуоресцентных белков зависит от динамики актиновой сети. Когда молекулярный мотор, миозин, был добавлен и предоставлена химическая энергия, силы, генерируемые взаимодействиями актин-миозин, управляли движением этих белков.
Когда химическая энергия была исчерпана, связанные с актином белки агрегировались, образуя отдельные пучки или звездообразные структуры, основанные на организации сети актина.«Важность активных или энергозатратных процессов в понимании биологических явлений становится все более очевидной. Это новая область биологии, называемая« активной механикой ». Наблюдения также далеки от завершения.
Поэтому важно иметь надлежащие экспериментальные инструменты, которые идут рука об руку с теорией, чтобы проверить и улучшить наше понимание таких систем. В нашем текущем исследовании описывается создание экспериментальной системы, которая будет служить нам в этом, "говорит Дариус Костер, ведущий автор исследования, опубликованного в ведущем журнале PNAS (Proceedings of the Natural Academy of Sciences of the United States of America).
«Мотивация, стоящая за этой работой, заключается в анализе механизмов, влияющих на динамику и организацию молекул на поверхности клетки», — говорит Кабир Хусейн, другой автор этого исследования. Такие процессы, как рост клеток, деление, иммунное распознавание и многие другие, зависят от организации белковых рецепторов и других связанных молекул на поверхности клетки.
Это означает, что способность клетки надежно контролировать организацию своих поверхностных молекул имеет решающее значение для ее выживания и функционирования. С воссозданием клеточной поверхности в пробирке ученые получили прочную экспериментальную основу в гонке за пониманием механики организации клеточной поверхности.