Исследователи раскрывают скрытые взаимодействия частиц на поверхности клеток
Могут ли важные взаимодействия оставаться скрытыми внутри клетки или на её поверхности при большинстве измерений в науках о жизни? Этим вопросом команда лазерного и биофизика профессора д-ра Александра Рорбаха из Фрайбургского университета задавалась годами. Он и его коллега д-р Феликс Юнгер исследовали взаимодействия частиц размером с бактерии (несколько микрометров) и даже вирусы (~0.1 мкм) на разных клеточных поверхностях.
С помощью усовершенствованной лазерной измерительной техники и методов математического анализа им удалось сделать видимыми ранее скрытые взаимодействия. Результаты опубликованы в журнале Small. В будущем они могут помочь лучше понять, как различные частицы (вирусы, бактерии, мелкодисперсная пыль, клеточный дебрис или мицеллы с активными веществами) связываются с клетками.
Решающую роль играет вязкоупругость
Вязкоупругие свойства клеточных поверхностей играют здесь решающую роль. Рорбах приводит в пример раствор крахмала: при быстрой ходьбе по нему поверхность кажется упругой, а при медленной — вязкой. В зависимости от временного масштаба воздействия система ведёт себя как упругая или вязкая.
Биологические клетки состоят из мельчайших молекулярных структур, реагирующих на давление или напряжение частично упруго (энергия запасается), частично вязко (энергия теряется). Каждая клетка — вязкоупругая система, определяющая свойства, например, мышечной или соединительной ткани.
Почти каждая клетка имеет высокоспециализированный внеклеточный матрикс — сеть нитевидных молекул, тонких волокон и пальцевидных выступов. Эта сложная поверхность влияет на захват частиц (вирусов, бактерий, частиц). «Внеклеточный матрикс различает частицы не только по размеру, форме и поверхности, но и по скорости их тепловой диффузии к поверхности, действуя как пространственно-временное сито для механических сигналов», — поясняет Рорбах.
Сверхбыстрая измерительная технология
С помощью фотонного силового микроскопа (комбинации оптических лазерных пинцетов и интерферометрической 4-квадрантной системы детектирования) биофизик Юнгер в многочисленных экспериментах приближал одномикрометровые шарики к живым клеткам. Частица-зонд, захваченная в лазерном фокусе, совершает небольшие дрожащие движения (тепловые флуктуации положения).
Эти движения измеряются трёхмерно один миллион раз в секунду с точностью в несколько нанометров. Зашумлённые позиционные сигналы частицы содержат ключевую информацию о взаимодействии с окружающей средой.
При медленном приближении частицы к клеточной поверхности с помощью оптического пинцета или при её удержании на коротком постоянном расстоянии через несколько секунд начинается взаимодействие с тонкими структурами внеклеточного матрикса. Однако гистограмма распределения всех положений частицы до и после взаимодействия практически не отличается. Взаимодействие остаётся скрытым.
«Быстрая выборка сигнала позволила нам впервые применить интегральные преобразования Крамерса-Кронига к тепловым флуктуациям частицы. Это позволяет визуализировать упругое и вязкое поведение клеточных структур на разных частотах движения», — объясняет Юнгер.
Рорбах добавляет: «Чтобы осмыслить эти две частотные характеристики, нужно облечь идею о молекулярных процессах в математические уравнения и затем сравнить, насколько хорошо решения этих уравнений соответствуют экспериментальным результатам».
Математическая минимальная модель в частотной области
Исследователи разработали математическую минимальную модель в частотной области, которая неожиданно хорошо описывает вязкоупругое поведение в разных методах измерений на разных клетках. Анализируя флуктуации зонда, Юнгер и Рорбах смогли определить, например, важные свойства периклеточного матрикса (PCM) в клетках кишечного эпителия, состоящего из сетчатых нитей гиалуроновой кислоты.
«Мы смогли измерить толщину PCM в 350 нанометров исключительно на масштабе микросекунд; на более длинных временных масштабах PCM был просто невидим», — говорит Рорбах.
Эластичность PCM всего около шести паскалей при динамике в миллисекунды, но около 20 паскалей при динамике в микросекунды, может объяснить, почему с физической точки зрения мелкие и высокодинамичные вирусы имеют тенденцию более упруго отскакивать от PCM, в то время как более крупные и менее динамичные бактерии — погружаться в него, именно потому, что на больших временных масштабах он менее упругий.