Биологи воссоздали клеточные органеллы движения -- реснички и жгутики. Искусственная система проще, а работает так же. Теперь ученые подумают над подвижными наноматериалами и системами, способными самостоятельно транспортировать жидкости.
Рукастые клетки
Жгутики и реснички – это клеточные «конечности», которыми простейшие организмы «гребут» в жидкой среде. Бактерии-жгутиконосцы плавают, кувыркаются и поворачивают в нужном им направлении. У сперматозоидов тоже есть жгутик. Мужским половым клеткам это плавсредство необходимо для перемещения в слизи женской половой системы.
Впрочем, «конечности» есть не только у самостоятельных клеток (сперматозоидов) и микроорганизмов. У млекопитающих реснички есть в дыхательных путях, семявыносящих канальцах и желудочках мозга. Здесь «рукастые» клетки создают волну, перемещая жидкость в нужном направлении, чтобы человек, например, выдохнул пыль и микробы, осевшие в легких.
Реснички и жгутики работают синхронно. И даже случайно оказавшись рядом на пути к яйцеклетке, сперматозоиды дружно виляют хвостами, затевая синхронное плавание. Но клеточные конечности находятся не в одной фазе биения. Они сокращаются последовательно, подобно тому как ведут себя футбольные болельщики на трибунах стадиона: биение небольшой группы ресничек (жгутиков) подхватывают все остальные. Одни активируются, другие в этот момент успокаиваются – идет волна.
«Метахронное (неодновременное) биение ресничек необходимо простейшим для передвижения. В многоклеточном организме такое движение ресничек обеспечивает и очищение дыхательной системы, и симметричное развитие эмбриона, -- пишут авторы нового исследования в статье, опубликованной в Science. – Из-за дефектов ресничек -- нарушения синхронности и последовательности биения – развиваются серьезные патологии эмбрионального развития и заболевания внутренних органов».
Скелет клеточных конечностей
Реснички и жгутики отличаются размерами (жгутики много крупнее и сильнее ресничек), структура же этих органелл очень похожа. Скелет ресничек и жгутиков (осевая нить) – аксонема – состоит из комплекса микротрубочек (полых цилиндров), которые связаны между собой белковыми цепочками -- динеиновыми ручками. «Динеин конвертирует энергию АТФ в линейное передвижение (скольжение) микротрубочек друг относительно друга, за счет чего и происходит биение жгутика или реснички, -- объясняют авторы нового исследования. – Тысячи динеинов синхронизируются для того, чтобы обеспечить работу одной аксонемы, биение одной органеллы (жгутика или реснички). Механизм появления и функционирования самоподдерживающихся сокращающихся комплексов остается неизвестным».
Исследователи из Университета Брандейса (Brandeis University) под руководством Тимоти Санчеза (Timothy Sanchez) описали и испытали минимальную систему микротрубочек, способных самостоятельно сокращаться и поддерживать неодновременное синхронное биение.
Для создания неживых ресничек биологи использовали микротрубочки и кинезин – двигательный белок, который тоже высвобождает энергию АТФ. С помощью стрептавидина и биотина экспериментаторы «склеили» этот белок с микротрубочками: «Кинезин заполнил пространство между микротрубочками, связал их, -- пишут исследователи. – Мы добавили третий компонент – полиэтиленгликоль (ПЭТ). Он обеспечил комплектацию пучков микротрубочек, способствовал проникновению кинезина в пространство между соседними микротрубочками».
Затем ученые вспенили «коктейль» из микротрубочек, кинезина и полиэтиленгликоля – получились воздушные шарики, покрытые плотными пучками микротрубочек. Микротрубочки на воздушном пузырьке сокращались в течение целого часа. Такая модель работала как живая клетка.
«Мы показали, что микротрубочки самостоятельно формируют иерархичную структуру, идентичную клеточным органеллам. Искусственная система состоит всего из четырех компонентов, каждая ресничка – из шестисот пятидесяти. Наша модель может быть использована для изучения механизмов колебания биологических наноструктур», -- завершают ученые. Они собираются использовать ее для создания материалов, способных направленно плавать и транспортировать жидкости в заданном направлении.
