Всегда держать безопасную дистанцию

Ученые из Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене (Германия) вместе с коллегой из Университета Флориды (США) исследовали, как транспортные белки могут двигаться в клетках, не сталкиваясь и не прилипая к другим структурам. С помощью сверхчувствительного метода микроскопии они определили, как моторный белок кинезин-1 взаимодействует со своими «транспортными рельсами» — микротрубочками — в нанометровом масштабе.

Моторный белок удерживается на расстоянии 17 нанометров от микротрубочек, что объясняет, как ему удается доставлять груз к месту назначения без столкновений.

Клетки похожи на порт: грузы прибывают, сортируются, временно хранятся и отправляются. В клетках, как и в порту, важно избегать заторов и столкновений, так как эти транспортные процессы жизненно важны для организма.

Моторные белки, такие как кинезин-1, выполняют роль перевозчиков. Для движения им нужны «рельсы» — микротрубочки. Это длинные нитевидные структуры диаметром около 25 нанометров и длиной в несколько микрометров, пронизывающие всю клетку. Кинезин-1 состоит из головки, средней части и хвоста и значительно меньше микротрубочек.

Известно, что головка кинезина шагает по микротрубочке, а хвост крепит груз. Но как белок обеспечивает беспрепятственную транспортировку? Ключевой вопрос: на каком расстоянии от микротрубочки кинезин-1 удерживает груз? Играет ли в этом роль ранее не изученная средняя часть белка?

Измерить нанометры линейкой невозможно. Для ученых анализ процессов в таком масштабе стал серьезной технической и методологической задачей.

Им удалось это сделать с помощью высокочувствительного косвенного метода микроскопии — Fluorescence Interference Contrast (FLIC). Исследователи заставили молекулы, помеченные флуоресцентным красителем, скользить над отражающим кремниевым зеркалом. В зависимости от расстояния до поверхности молекулы светились с разной интенсивностью из-за интерференционного эффекта. Таким образом, расстояние определялось косвенно по яркости свечения.

Поскольку большие филаменты микротрубочек легче увидеть этим методом, чем отдельные молекулы кинезина-1, красителем пометили именно их. «Пришлось перевернуть всю систему с ног на голову», — пояснил Якоб Керсемейкерс. Ученые измерили не расстояние от моторного белка до микротрубочки, а расстояние, на котором кинезин-1 удерживает микротрубочки от отражающей поверхности.

Для этого они покрыли отражающую поверхность микроскопа FLIC моторными белками, создав «газон кинезина». «Стебли кинезина» удерживали микротрубочки на том же расстоянии, на котором груз обычно скользит вдоль «рельсов».

После точной калибровки измерительной системы ученые получили результат: 17 нанометров. Именно на таком расстоянии кинезин-1 держит микротрубочки или свой груз от них. Это расстояние оптимально, так как большинство частиц, которые могут стать препятствием в клетке, меньше этого зазора. По-видимому, так сложно устроенные моторные белки доставляют груз к цели без сопротивления и зацепок. Это открытие буквально проливает свет на еще один аспект темных внутриклеточных транспортных каналов.

Цитирование: Jacob Kerssemakers, Jonathon Howard, Henry Hess & Stefan Diez, The distance that kinesin-1 holds its cargo from the microtubule surface measured by fluorescence interference contrast microscopy, PNAS, October 24, 2006.

Источник: Max Planck Society