Математическая формула «сборки» цитоскелета
Исследователи из Университета Райса разработали теоретический подход к процессу «сборки» биополимерных скелетов живых клеток из белков. Цитоскелет, состоящий из волокон и микротрубочек, придает клетке ее уникальную форму, а также предоставляет «дороги», по которым путешествуют белки и другие грузы. В течении жизни клетки он постоянно меняется – волокна и трубочки химически распадаются на субъединицы (мономеры), которые снова соединяются в других точках клетки.
Биофизики-теоретики Анатолий Коломейский и Син Ли (Xin Li) выявили общую форму химической основы этих изменений. Она очень пригодится биоинженерам и фармацевтическим компаниям.
Коломейский ожидает, что его формула («усиленная» экспериментальными наблюдениями), расскажет много нового о том, что вынуждает составные части цитоскелета (вроде волокон актина и микротрубочек) соединяться, разделяться и перекомпоновываться.
«Эти белки важны потому, что они, по сути, обеспечивают все внутриклеточные процессы. Сейчас ученые-экспериментаторы начинают понимать, как “собираются” волокна цитоскелетов. А мы, теоретики, строим компьютерные модели, карикатуры реальных процессов, с помощью который мы анализируем энергетические отношения на молекулярном уровне», - рассказывает Коломейский.
Ученый сравнил клетки с городами. «Большие города не могут существовать без хороших дорог, по которым люди перемещаются из одного района в другой. В клетках происходит то же самое – роль шоссе играют микротрубочки и актиновые волокна. В растущем мегаполисе строят новые транспортные артерии, но клетка – закрытая система, и количество стройматериалов в ней ограничено. Поэтому она расщепляет полимеры микротрубочек на мономеры и перемещает их в другие места, чтобы построить “дорогу” там. Этот процесс известен как динамическая нестабильность. Он весьма экономичен – клетке не нужно тратить энергию на синтез нового вещества. Она просто разбирает ненужное шоссе и строит второе из тех же материалов».
Наномасштабные полимеры имеют одно измерение; это простые цепочки молекул, завертывающиеся вокруг друг друга в волокна и трубочки. «Давно известно, что для одномерных объектов важную роль играют корреляции, и то же истинно для изученных нами белков. Мы обнаружили простой математический способ описания этих корреляций», - заявил Коломейский.
Когда мономеры связываются с полимерными цепями, свойства полимеров меняются от гидролиза (химической реакции, которая проходит в присутствии молекул воды). «По сути, каждый мономер существует в двух состояниях – гидролизированном и негидролизированном. Негидролизированные молекулы выступают в качестве чехлов, удерживающих белки в стабильном состоянии, тогда как гидролизированные позволяют им распадаться. Мы смогли описать свойства этих полимеров в экспериментально измеряемых скоростях прикрепления, открепления и гидролиза», - говорит Коломейский.
По мнению биофизика, это исследование будет интересно специалистам по раковым заболеваниям. «Одно из основных средств борьбы с раком – Таксол и другие соединения, связывающиеся с микротрубками.
Они останавливают процесс динамической нестабильности, и клетка умирает. Мы надеемся, что наша формула поможет понять этот процесс на более физическом, химическом уровне», - заключает Коломейский.
Исследование представлено в журнале Journal of Physical Chemistry.
По материалам пресс-релиза университета.
Артём Космарский nauka21vek.ru