• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Кто следит за порядком в живой клетке – взгляд физиков

Кто следит за порядком в живой клетке – взгляд физиков

© iStock

Итальянские и российские исследователи подтвердили гипотезу о том, что  самоподдерживающийся порядок в ядерной (эукариотической) клетке – результат совместного действия двух спонтанных механизмов. Одинаковые молекулы  собираются в «капли» на мембране, а затем отрываются от нее в форме крошечных пузырьков, обогащенных собравшимися вместе молекулами. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследование провела международная междисциплинарная команда биологов из Туринского политехнического института, Итальянского института медицинской генетики Туринского университета, Института Кандиоло и физиков из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ.

Игорь Колоколов, директор ИТФ им. Л.Д. Ландау, заведующий базовой кафедрой теоретической физики

Игорь Колоколов, директор ИТФ им. Л.Д. Ландау, заведующий базовой кафедрой теоретической физики

Участие физиков-теоретиков в биологических исследованиях может быть весьма значимо, когда в изучаемом явлении удается выделить универсальную структуру, малочувствительную к химическим и иным деталям. Конечно, биологическая постановка задачи первична, и без наших коллег – биологов работы бы не было. Но в целом, такое сотрудничество биологов, онкологов и физиков-теоретиков и образует современную быстро развивающуюся науку – физическую биологию.

Эукариотическая клетка обладает ядром и является основной структурной единицей всех животных и растений. Под микроскопом видно, что она представляет собой довольно сложное сооружение, состоящее из множества отсеков, разделенных мембранами. Каждое отделение играет свою роль в функционировании клетки и занято определенными молекулами. Клетка сохраняет этот внутренний порядок при взаимодействии с окружением и, если не вмешиваются патологии, не деградирует в бесформенное скопление молекул. Важнейшую роль в устойчивости ядерной клетки играет процесс постоянного пространственного переупорядочивания и доставки молекул в правильные места назначения.

Владимир Лебедев, профессор базовой кафедры теоретической физики ВШЭ

Владимир Лебедев, профессор базовой кафедры теоретической физики ВШЭ

Этот процесс напоминает ежедневную уборку в большом и многолюдном доме. Однако в этом доме нет явной хозяйки, и получается, что такая важная работа происходит как бы сама по себе по неясным правилам.

В статье «Optimality in Self-Organized Molecular Sorting» исследователи выдвинули, проанализировали и экспериментально проверили гипотезу о том, что такой самоподдерживающийся порядок в эукариотической клетке является результатом совместного действия двух спонтанных механизмов. Во-первых, одинаковые молекулы собираются на мембране в кластеры, подобно тому, как капли воды возникают в переохлажденном облаке пара, приводя к образованию тумана. Во-вторых, эти «капли» вызывают локальное выпячивание мембраны, на которой они находятся, и в конце концов, образуются крошечные пузырьки (везикулы). Обогащенные собравшимися вместе молекулами, они отрываются от мембраны и отправляются в путешествие по клетке. Поэтому многие внутренние мембраны эукариотической клетки представляют собой естественные перегонные аппараты, причем готовая продукция доставляется потребителю (например, в другом отсеке клетки) в «бутилированном» виде.

В опубликованной работе построен математический аппарат, позволяющий выделить универсальные черты в кинетике такой дистилляции. Его адекватность проверена прямым численным моделированием. Обнаружено, что для каждого сорта молекул существуют оптимальные значения параметров, например, частоты зарождения кластеров, при которых весь процесс дистилляции идет максимально эффективно. В частности, если эта частота слишком мала, то и  дистилляция идет слишком медленно. В обратном предельном случае быстро образуется множество небольших капель, которые покроют заметную площадь мембраны, но ни одна не достигнет за разумное время критического размера, необходимого для образования готовой везикулы.

«С точки зрения физики движение молекул по мембране подчиняется законам диффузии (хаотического, необратимого движения) и от устройства этих молекул и самой мембраны зависит только один параметр – коэффициент этой диффузии. Законы диффузии приводят к тому, что на двумерной поверхности, чем и является мембрана, вероятность попадания молекулы в заданную область слабо зависит от размеров этой области, – говорит профессор Колоколов. – Это принципиальный момент, который, по-видимому, и есть основная причина того, что многие жизненно важные процессы в клетке происходят на внутренних мембранах, которые двумерны, а межмембранный объем служит, в основном, складом-резервуаром смеси нужных субстанций».

В работе приведены также результаты экспериментального наблюдения за процессом дистилляции в клетках, извлеченных из кровеносных сосудов пуповинной ткани человека. Полученные данные подтверждают теоретическую конструкцию, включая такую важную характеристику, как распределение растущих обогащенных кластеров по размерам.

«В нашей работе используется закон роста зародышей, который наглядно можно пояснить так: если в кипящем чайнике вы видите пузырь размером сантиметр, то доли секунды назад он же уже существовал, но имел  размер миллиметр, а сантиметровым не родился, – поясняет Игорь Колоколов. – Такого рода соображения, мастерски использованные в свое время Ильей Михайловичем Лифшицем и Виталием Валентиновичем Слезовым в кинетике фазовых переходов первого рода, оказываются весьма полезными и в нашей работе».

Таким образом статья позволяет сделать вывод о том, что эволюционно живые клетки «работают» в области оптимальных параметров, обеспечивающих максимальную эффективность процесса молекулярной реорганизации.

Результаты исследования представляют большой интерес с точки зрения медицинских приложений, поскольку дефекты процесса молекулярного переупорядочения связаны с многочисленными серьезными заболеваниями, включая онкологию. Создание достаточно универсального и обозримого описания, позволяющего определить параметры управления процессом – важный первый шаг, необходимый для выявления возможностей лечения.

Исследование также поддерживалось Итальянским институтом ядерной физики (INFN), колледжем Карло Альберто, Национальным исследовательским университетом Высшая школа экономики (ВШЭ) и Итальянским обществом исследования рака (AIRC).

Вам также может быть интересно:

Отборочный этап студенческой олимпиады «Я — профессионал» собрал более 104 тысяч участников

За 17 дней более 104 тысяч участников из разных регионов России попробовали свои силы в состязаниях отборочного онлайн-этапа пятого сезона олимпиады«Я — профессионал» — одного из флагманских проектов президентской платформы«Россия — страна возможностей». Олимпиада реализуется при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.

НИУ ВШЭ подвел итоги участия в программе Года науки и технологий в России

Уходящий 2021 год был объявлен в России Годом науки и технологий. Новостная служба портала рассказывает, какие мероприятия проводила Высшая школа экономики под эгидой Года науки, о достижениях университета, а также о том, как Вышка помогает популяризации отечественной науки.

Исследование ВШЭ: реабилитацию детей с артрогрипозом может облегчить стимуляция мозга

Совместно с НМИЦ детской травматологии и ортопедии им. Турнера исследователи НИУ ВШЭ изучили, как мозг детей с артрогрипозом после пересадки мышц контролирует сгибание локтя. Оказалось, что у таких пациентов вовлекается больше моторных нейронов, то есть начало нового движения требует от мозга больше усилий.

«Задачи Высшей школы экономики вращаются вокруг слова “человек”»

В Парке науки и искусства «Сириус» завершился Конгресс молодых ученых — одно из ключевых мероприятий Года науки и технологий. В работе конгресса приняла участие делегация Высшей школы экономики. Как это было — в репортаже новостной службы портала.

«Мы должны объяснить, как работать с собой и заниматься саморазвитием»

Задача современных университетов — дать молодым людям те навыки и компетенции, которые помогут им встроиться в экономику сегодняшнего и завтрашнего дня, выбрать свою жизненную траекторию. При этом студенты становятся одними из основных заказчиков для программ образования. Об этом шла речь на форуме «Наука и университеты», который стартовал 12 декабря в нижегородской Вышке.

В Сочи стартовал Конгресс молодых ученых, в работе которого принимают участие представители ВШЭ

В образовательном центре «Сириус» в Сочи начал работу Конгресс молодых ученых. Это итоговое мероприятие Года науки и технологий, который проходит сейчас в России. В рамках конгресса пройдут также мероприятия VII Ежегодной национальной выставки ВУЗПРОМЭКСПО. Вышка представлена в Сочи большой группой ученых и экспертов.

Ученые предложили способ увеличения заряда суперконденсаторов

Ученые МИЭМ ВШЭ и Института неклассической химии в Лейпциге предложили новую теоретическую модель суперконденсаторов. Она впервые учитывает свойства катиона, которые существенно влияют на электрическую емкость суперконденсатора. Это первая подобная работа в области электрохимии. По мнению авторов, модель должна позволить инженерам в будущем создавать более мощные источники энергии. Результаты работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ.

В НИУ ВШЭ разработали первый стандартизированный тест на русском языке для оценки нарушений при афазии

Ученые Центра языка и мозга НИУ ВШЭ создали и протестировали Русский афазиологический тест — новую методику диагностики языковых нарушений у пациентов с афазией. Этот тест станет первым в России стандартизированным инструментом в этой области. Статья “The Russian Aphasia Test: The first comprehensive, quantitative, standardized, and computerized aphasia language battery in Russian” вышла в журнале PLOS ONE.

Вышка примет участие в создании Супер С-тау фабрики

18 ноября в Новосибирске десять университетов и институтов объявили о создании партнерства по строительству электрон-позитронного коллайдера для исследования очарованных частиц и тау-лептонов. Новый эксперимент запланирован в рамках Супер С-тау фабрики. В десятку основателей вошли две международные и восемь российских команд, включая Высшую школу экономики.

Модель, описывающая отношения хищников и их жертв, стала основой для прогноза распространения COVID-19

Исследователи факультета экономических наук НИУ ВШЭ предложили математическую модель, описывающую течение пандемии COVID-19 с учетом ограничительных мер, принимаемых в разных странах. Она поможет правительствам принимать взвешенные и своевременные решения о введении или отмене ограничений. Работа опубликована в журнале Eurasian Economic Review.