Молекулярные маячки подсветили, как клетки «ползают»

Адгезивные клетки, формирующие архитектуру всех многоклеточных организмов, механически устроены так, что с помощью точных сил могут перемещаться и прикрепляться. Белки-интегриновые рецепторы действуют как маленькие руки и ноги, подтягивая клетки по поверхности или закрепляя их на месте. Если поместить группу таких клеток в чашку Петри с разными субстратами, они почувствуют разницу в поверхностях и будут «ползти» к самой жёсткой из доступных.

Химики разработали метод с использованием ДНК-зондов для измерения натяжения, позволяющий в деталях изучить и картировать эти явления на молекулярном уровне: как клетки механически чувствуют своё окружение, мигрируют и прилипают.

Исследование, проведённое под руководством Халида Салайты, доцента биомолекулярной химии Университета Эмори, опубликовано в Nature Communications. Соавторами выступили инженеры-механики и биоинженеры из Технологического института Джорджии.

Используя новый метод, учёные показали, как силы, прикладываемые фибробластами, распределяются на уровне отдельных молекул. «Мы обнаружили, что каждый интегриновый рецептор на периметре клетки фактически "ощущает" механику своего окружения, — говорит Салайта. — Если поверхность кажется ему мягче, он открепляется, а если более жёсткой — связывается. Им нравится закрепляться на твёрдой почве».

Каждая клетка имеет тысячи интегриновых рецепторов, пронизывающих клеточную мембрану. Клеточные биологи долгое время сосредотачивались на химических аспектах того, как интегриновые рецепторы чувствуют окружение и взаимодействуют с ним, в то время как понимание механических аспектов отставало. Клеточная механика — относительно новая, но растущая область, объединяющая биофизиков, инженеров, химиков и других специалистов.

«Множество хороших и плохих процессов в организме опосредованы этими интегриновыми рецепторами — от заживления ран до метастатического рака, поэтому важно получить более полную картину их работы», — отмечает Салайта.

Ранее лаборатория Салайты разработала метод флуоресцентных сенсоров для визуализации и измерения механических сил на поверхности клетки с использованием гибких полимеров, действующих как крошечные пружины. Эти «пружины» химически модифицированы с обоих концов. Один конец получает флуоресцентный сенсор, который связывается с интегриновым рецептором на поверхности клетки. Другой конец химически закреплён на предметном стекле микроскопа и несёт молекулу-гаситель флуоресценции. Когда к полимерной пружине прикладывается сила, она растягивается. Расстояние до гасителя увеличивается, и флуоресцентный сигнал включается, становясь ярче. Измерение количества испускаемого флуоресцентного света определяет величину прикладываемой силы.

Юнь Чжан, соавтор статьи в Nature Communications и аспирант лаборатории Салайты, предложила использовать вместо гибких полимеров ДНК-молекулярные маячки. «Она была новичком в лаборатории и привнесла свежий взгляд», — говорит Салайта.

Молекулярные маячки — это короткие синтезированные в лаборатории фрагменты ДНК, состоящие примерно из 20 пар оснований, используемые в клинической диагностике и исследованиях. Их называют ДНК-шпильками из-за их формы.

Термодинамика ДНК, её двойная спиральная структура и энергия, необходимая для её свёртывания, хорошо изучены, что делает ДНК-шпильки более точными инструментами для измерения силы. Ещё одно ключевое преимущество — постоянное расстояние между их концами, в отличие от случайных колец гибких полимеров, отмечает Салайта.

В экспериментах ДНК-шпильки вели себя скорее как тумблер, а не как диммер. «Полимерные зонды натяжения постепенно разматываются и становятся ярче по мере приложения большей силы, — объясняет Салайта. — В отличие от них, ДНК-шпильки не сдвигаются с места, пока не будет приложена определённая сила. А как только эта сила приложена, они начинают расстёгиваться и просто продолжают разматываться».

Кроме того, исследователям удалось откалибровать силовую постоянную ДНК-шпилек, превратив их в высоконастраиваемые цифровые инструменты для расчёта силы, прикладываемой молекулой, вплоть до уровня пиконьютонов.

«Сила тяжести, действующая на яблоко, составляет около одного ньютона, так что мы говорим о миллионной части от миллионной доли этого, — говорит Салайта. — Поразительно, что для разворачивания фрагмента ДНК требуется так мало силы».

В результате получился зонд натяжения, в три раза более чувствительный, чем полимерные зонды.

В отдельной статье, опубликованной в Nano Letters, лаборатория Салайты использовала ДНК-зонды для экспериментов с влиянием плотности субстрата на прикладываемую силу. «Интуитивно можно подумать, что менее плотная среда, предлагающая меньше точек закрепления, приведёт к большей силе на одну точку, — говорит Салайта. — Мы обнаружили, что всё наоборот: вы увидите меньше силы на одну точку».

Механизм ощущения расстояния между лигандами и прикрепления к субстрату, по-видимому, опосредован силой, отмечает он. «Интегриновые рецепторы должны располагаться близко друг к другу, чтобы "двигатель" внутри клетки, генерирующий силу, мог с ними взаимодействовать и прикладывать её».

Теперь исследователи используют разработанные ДНК-инструменты для изучения сил более чувствительных клеточных путей и рецепторов.

«Интегриновые рецепторы — это своего рода "тяжеловесы", они прикладывают относительно большие силы, чтобы прикрепиться к внеклеточному матриксу, — говорит Салайта. — Существует множество других клеточных рецепторов, прикладывающих гораздо более слабые силы».

Например, T-клетки (лимфоциты) — это белые кровяные тельца, чьи рецепторы сосредоточены не на адгезии, а на таких задачах, как распознавание «своего» пептида от чужеродного бактериального.

Лаборатория Салайты сотрудничает с медицинскими исследователями по всему Университету Эмори, чтобы понять роль клеточной механики в иммунной системе, свёртывании крови и аксональном наведении нейронов.

«По сути, наша предпосылка такова: механика играет роль почти во всех биологических процессах, и с помощью этих ДНК-зондов натяжения мы собираемся обнаружить, измерить и картировать эти силы», — заключает Салайта.