Клетки развивают «более толстую кожу» в условиях экстремальной гравитации

Эксперимент в условиях высокой гравитации показал, как клетки сохраняют свою форму под давлением.

Ученые исследовали реакцию клеток на высокую гравитацию с помощью методики, которая может изменить подход к изучению клеточной жизни.

Используя центрифугу большого диаметра (Large Diameter Centrifuge) Европейского космического агентства (ЕКА) в Нидерландах, исследователи из Имперского колледжа Лондона и ЕКА раскручивали клетки на высоких скоростях, моделируя гравитационную силу в 15 раз сильнее, чем на Земле (15g). По мере увеличения гравитации вязкость клеточных мембран возрастала, что аналогично развитию «более толстой кожи» для сохранения формы под давлением.

Это первое исследование вязкости клеточной мембраны — меры того, насколько липкими или текучими являются клеточные стенки — в условиях экстремальной гравитации. Оно приближает ученых к пониманию того, как функционируют клетки и как определенные болезни влияют на них. Вязкость контролирует скорость ключевых реакций или их возможность вообще протекать, в то время как такие заболевания, как диабет и болезнь Альцгеймера, могут изменять вязкость внутри клеток.

Доктор Ник Брукс, соавтор и старший преподаватель кафедры химии, поясняет: «Изучение того, как клетки адаптируются к экстремальной гравитации, помогает понять, как они могут сопротивляться стрессу окружающей среды в целом — от вирусных атак и химического дисбаланса до экстремального холода и жары».

Гипергравитационная среда

В этом междисциплинарном проекте объединились химики, физики и ученые ЕКА. Исследование возглавила выпускница аспирантуры Имперского колледжа Эмма Вудкок в рамках конкурса Spin Your Thesis!, который дает студентам доступ к центрифуге ЕКА. Центрифуга имеет четыре плеча, охватывающих ее восьмиметровый диаметр.

На полной скорости контейнеры на концах плеч движутся со скоростью 101 км/ч. Внутри каждого контейнера можно моделировать гипергравитационную среду до 20g. Для сравнения: самые мощные американские горки могут достигать 5g на несколько секунд.

Помимо логистических сложностей с закреплением камеры и микроскопа в контейнере, исследователям пришлось разработать новую методику, способную выдержать экстремальную гравитацию. Доцент кафедры химии доктор Марина Куимова создала молекулы, которые начинают светиться по мере увеличения вязкости в клеточной мембране.

У этих молекул есть ось вращения, которая быстрее вращается при низкой вязкости и замедляется при уплотнении мембраны. Когда молекула не вращается, она испускает яркую флуоресценцию, которую исследователи могут измерить количественно. Этот метод также перспективен, поскольку не влияет на химический состав клетки, в отличие от некоторых лекарственных молекул.

Доктор Куимова объясняет: «Эта техника открывает совершенно новый способ изучения работы клеток. Обычно мы отслеживаем меньшие изменения вязкости в нормальных физиологических условиях, но было захватывающе применить нашу методику к условиям, когда клетки были доведены до предела».

Реакция на изменения давления

Исследователи протестировали влияние высокой гравитации на два типа клеток: обычные клетки мыши и специализированные человеческие клетки, выстилающие кровеносные сосуды. Наиболее сильные и быстрые изменения наблюдались в человеческих клетках.

Эти клетки часто сталкиваются с изменениями давления из-за резких изгибов сосудов, образования бляшек и увеличения скорости кровотока. Это особенно интересно, так как иллюстрирует, чему могут подвергаться клетки при артериальных заболеваниях, хотя и в большем масштабе.

Оба типа клеток демонстрировали очень быструю реакцию по увеличению жесткости при нарастании гравитации. Это означает, что реакция была в основном физическим ответом компонентов мембраны на возросшее давление, а не следствием того, что клетка «почувствовала» изменение и запустила свой биологический механизм для создания механической перемены.

В дальнейшем исследователи могут изучить, как клетка дает команду мембране увеличить свою вязкость. Этот подход также можно использовать для изучения вязкости разных частей клетки, ее роли в заболеваниях и того, как клеточные мембраны контролируют другие процессы.