Учёные впервые воссоздали деление клетки вне организма

Каждое живое существо движется — добыча убегает от хищников, муравьи идут к крошкам, листья тянутся к солнцу. Однако на самом фундаментальном уровне учёные всё ещё пытаются понять физику, лежащую в основе того, как наши собственные клетки строятся, двигаются, транспортируют вещества и делятся.

«Механизмы, позволяющие организмам двигаться и менять форму, присущи самой жизни и основаны на физике, — сказала Маргарет Гардел, профессор физики Чикагского университета. — Но несмотря на их центральную роль для понимания биологии, многие из этих механизмов остаются плохо изученными».

Гардел возглавила новаторское исследование, в котором впервые был воссоздан механизм деления клетки вне клетки. Эксперимент, проведённый под руководством постдока Кима Вайриха и опубликованный 21 мая в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогает понять физику, с помощью которой клетки осуществляют свою повседневную деятельность. Это может однажды привести к медицинским прорывам, идеям для новых материалов или даже искусственных клеток.

«То, как клетки делятся, — один из самых базовых аспектов попыток создать жизнь, и мы пытаемся понять это сотни лет», — сказала старший автор исследования Гардел, которая сочетает физику и биологию для изучения способов трансформации клеток.

Клетки движутся в организме, но самая сложная динамика происходит внутри клетки, когда она перемещает компоненты и ресурсы, уплощается или расширяется и делится для воспроизведения. Ключевой игрок в этом процессе — актин, белок, который собирается в стержни и структуры.

Команда Гардел хотела понять физику, стоящую за действиями актина. Поэтому Вайрих обратился к одному из основных подходов в науке для такого вопроса: взять ингредиенты и попытаться построить из них систему вне клетки.

Вайрих выделил белки актина и наблюдал, как они формируют капли, принимающие миндалевидную форму. Когда он добавил миозин («моторные» белки, характерные для мышц), те спонтанно находили центр между двумя концами капли и «перешнуровывали» её, разделяя на две части.

«Это было совершенно неожиданно. Нет никаких прецедентов. Это выглядит в точности как веретено деления, которое управляет делением клетки», — сказала Гардел.

Совместно с физиком Томасом Уиттеном и химиком Суриянараянаном Вайкунтанатаном из того же университета постдок Кинджал Дисбасвас смоделировал действующую физику.

Внутри капли стержневидные молекулы актина стремятся выстроиться параллельно, чтобы минимизировать конфликт, формируя миндалевидную форму. Более длинные молекулы миозина предпочитают собираться в центре, чтобы оставаться параллельными актину. Но по мере накопления миозины начинают слипаться, образуя кластеры, которые предпочитают наклоняться, а не оставаться параллельными, — что и приводит к перетяжке и разделению на две части. Это первый столь детальный взгляд на то, как клетка может выполнять эту задачу.

Наблюдение за этим процессом — тем, как живые существа используют структуру капли для создания новой жизни, — не только увлекательно, но и полезно, считает Гардел. Хотя типы белков в реальном делении клетки другие, базовые принципы, вероятно, схожи. «Это тот вид знаний, который необходим, чтобы представить себе создание таких вещей, как искусственная ткань для раны», — сказала она.

«В конечном счёте, множество проблем в биологии связано с тем, как ансамбли молекул работают вместе. И поскольку это часто материалы с протекающими внутри химическими реакциями, их очень сложно моделировать. Подобные исследования дают нам возможность изучить базовые принципы действующих сил».