Исследование ставит под сомнение общепринятые представления о работе клеточных мембран

Новое исследование под руководством Адама Коэна, профессора химии, химической биологии и физики, опровергает традиционные теории о текучей природе клеточных мембран и их реакции на натяжение.

Учёные долгое время считали, что мембраны ведут себя как вязкая жидкость (подобно мёду), и что натяжение может передаваться почти мгновенно с одной стороны клетки на другую. Однако Коэн и Чжэн Ши, постдокторант из его лаборатории, показали, что мембраны ближе к полутвёрдому состоянию, как желе. Исследование описано в статье, опубликованной 1 ноября в журнале Cell.

Новый эксперимент и неожиданный результат

Традиционная картина предполагала, что мембрана — это «двумерная жидкость»: липидные молекулы закреплены в плоскости мембраны, но могут свободно перемещаться в её пределах. Считалось, что если потянуть за одну сторону мембраны, она будет течь, пока натяжение не выровняется, и этот процесс будет очень быстрым.

Чтобы проверить это, исследователи разработали флуоресцентный белок-сенсор, который должен был светиться при передаче сигнала натяжения через мембрану. Однако эксперименты не показывали ожидаемого отклика.

Тогда Ши поставил простой эксперимент: двумя механическими зондами он тянул мембрану в двух местах и измерял натяжение. На живой клетке не было обнаружено никакой связи между точками: натяжение в одной точке не влияло на другую. Когда же тот же опыт провели на изолированной (синтетической) мембране, связь была идеальной.

Ключевое отличие: белки и цитоскелет

Принципиальная разница, как предположили учёные, заключается в белках, которые в живых клетках сидят в мембране и прикреплены к цитоскелету клетки.

«Эти белки не могут двигаться. Каждый из них действует как неподвижное препятствие, поэтому любой поток должен обтекать его», — пояснил Коэн.

Исследователи оценили, что такие белки занимают до 20% площади клеточной мембраны. Этого достаточно, чтобы кардинально изменить её свойства.

Аналогия с желе

Эффект объясняется аналогией с желе (Jell-O). В рецепте желе желатин составляет всего около 5%, остальное — вода. Однако 5% раствор сахара течёт как вода, а 5% гель желе — нет, потому что нити желатина переплетены и не двигаются относительно друг друга. Вода оказывается в ловушке, так как не может протечь через молекулярные промежутки между нитями. При этом маленькие молекулы красителя могут диффундировать через желе.

Тот же принцип, по-видимому, работает в клеточных мембранах. Отдельные молекулы (например, меченые трансмембранные белки) свободно диффундируют, потому что они достаточно малы, чтобы «продираться через щели» между неподвижными белками-препятствиями. Но это не означает, что сама мембрана течёт как жидкость.

Значение и перспективы

Новое понимание может иметь серьёзные последствия для биологических экспериментов и, в перспективе, для лечения болезней.

«Мембранная сигнализация фундаментальна почти для всех аспектов жизни... Подавляющее большинство лекарств действуют на трансмембранные белки», — отметил Коэн.

Теперь, когда известно, что натяжение в мембране не является однородным и может сильно различаться в разных частях клетки, это может быть параметром, который клетки используют для регуляции различных процессов. Эксперименты на синтетических бислоях с однородным натяжением могут упускать важные регуляторные механизмы.

Дальнейшие исследования будут направлены на создание методов визуализации натяжения мембраны и поиск возможных особых типов клеток, которые всё же передают натяжение через мембрану.