Органеллы, такие как митохондрии и лизосомы, должны пересекать это переполненное, постоянно меняющееся цитоплазматическое пространство, чтобы доставлять материалы в различные части клетки.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что эти органеллы и другие внутриклеточные компоненты могут воспринимать окружающую цитоплазму как совершенно разные среды во время своего путешествия.
Например, ядро клетки может «ощущать» цитоплазму как жидкий медоподобный материал, в то время как митохондрии могут ощущать это больше как зубную пасту.
Команда под руководством Минг Го, британца и доцента по развитию карьеры Алекса д’Арбелоффа с кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, обнаружила, что органелла чувствует определенное сопротивление в цитоплазме, в зависимости от размера органеллы и скорости, с которой она движется. клетка. В частности, эти характеристики определяют, насколько легко он может отталкиваться от окружающей воды цитоплазмы и перемещаться через постоянно меняющуюся сеть белковых структур цитоскелета.
Некоторым органеллам, возможно, придется усерднее работать, чтобы пробиться через цитоплазму, и поэтому они могут чувствовать большее сопротивление.
Исследователи обнаружили, что сопротивление, которое может ощущать любая крупная органелла, колеблется от сопротивления вязкой жидкости до эластичного, эластичного твердого вещества.
Го и его коллеги составили фазовую диаграмму, чтобы описать тип материала, на который цитоплазма будет напоминать с точки зрения органеллы, учитывая размер и скорость органеллы.
«Наша главная цель состояла в том, чтобы обеспечить самое фундаментальное понимание живых клеток как материала», – говорит Гуо. "С помощью этой фазовой диаграммы, если вы скажете мне размер и скорость, с которой движется органелла, я могу сказать вам, какую механическую среду она видит."
Результаты, опубликованные на этой неделе в Трудах Национальной академии наук, могут помочь в разработке фармацевтических препаратов. Например, с помощью фазовой диаграммы команды ученые могут адаптировать размер лекарства, чтобы он мог перемещаться внутри клетки с определенной легкостью.
«Лекарство диаметром 100 нанометров будет ощущать совершенно иное сопротивление, чем лекарство шириной 500 нанометров», – говорит Гуо. "Это может быть руководством к пониманию того, как лекарство доставляется и транспортируется внутри клетки."
Ведущий автор исследования – Цзилян Ху, бывший приглашенный студент Массачусетского технологического института, который этой осенью присоединится к лаборатории Го в качестве аспиранта. Среди других соавторов – Юлонг Хан, постдок лаборатории Го; и Алан Гродзинский, профессор биологической инженерии, электротехники, информатики и машиностроения Массачусетского технологического института; вместе с Сомай Джафари и Шэнцян Цай из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Какое сопротивление
Большинство ученых, изучающих перенос материалов внутри клетки, сосредоточились на движущих силах этого транспорта, а именно на молекулярных двигателях, семействе биологических агентов, которые активно преобразуют энергию клетки в механическую работу по перемещению груза через клетку.
«Но, как инженеры-механики, мы думаем, что движущая сила – не единственная часть этого процесса транспортировки, но сопротивление окружающего материала на самом деле не менее важно», – говорит Гуо. "Например, не только ваша собственная энергия определяет, как вы перемещаетесь в толпе – механическое сопротивление толпы также может влиять на ваше движение."
В случае живых клеток Гуо задался вопросом, будет ли окружающая цитоплазма иметь такой же скучивающий эффект на движение основных органелл, таких как митохондрии и лизосомы.
Чтобы проверить свою гипотезу, он и его коллеги провели эксперименты на живых клетках млекопитающих, в которые они вводили крошечные пластиковые шарики размером от 0.5 к 1.5 микрон – диапазон, охватывающий большинство основных органелл. Затем они протащили каждую бусину по ячейке с помощью оптического пинцета – методики, в которой для физического перемещения микроскопических объектов используется сильно сфокусированный лазерный луч.
Исследователи захватили и потянули каждую бусину к краю ячейки с постоянной скоростью и измерили силу, необходимую для перетаскивания бусинки на определенное расстояние. Они интерпретировали эту силу как механическое сопротивление окружающей цитоплазмы.
Затем они предположили, что механическое сопротивление цитоплазмы проистекает из двух основных источников: пороупругости и вязкоупругости.
Пороэластичность возникает из-за того, насколько быстро цитоплазма может рассеивать воду из области. Группа пришла к выводу, что чем более пороупругая цитоплазма, тем больше усилий нужно приложить объекту, например органелле, чтобы вытолкнуть воду со своего пути.
Вязкоупругость в контексте цитоплазмы – это то, насколько быстро ее цитоскелет или сеть белков изменяет конфигурацию.
Цитоскелет клетки служит своего рода каркасом, состоящим из тысяч белков, которые постоянно собираются, разбираются и повторно собираются. Эта динамическая сеть может ощущаться как упругое твердое тело, так и вязкая жидкость. Чем быстрее цитоскелет перестраивается, тем он более жидкий. Исследователи пришли к выводу, что органелла будет чувствовать меньшее сопротивление при движении через более жидкий, часто меняющийся цитоскелет.
Все дело в перспективе
Го и его коллеги проанализировали результаты своих экспериментов и обнаружили, что размер и скорость шарика связаны с типом сопротивления, с которым он сталкивается, когда его протягивают через ячейку.
Как правило, чем больше размер шариков, тем больше они имеют пороупругое сопротивление, поскольку большие шарики с большей площадью поверхности должны отталкиваться от большего количества воды, чтобы пройти через них.
С другой стороны, чем быстрее тянули бусину, тем больше она встречалась с твердым сопротивлением. Как объясняет Гуо, «чем быстрее вы двигаетесь, тем более постоянные [цитоскелетные] структуры вы видите и чувствуете сопротивление."
Исследователи составили фазовую диаграмму на основе результатов своих экспериментов. Затем они просмотрели научную литературу, чтобы узнать об измерениях скорости и размера реальных органелл в живых клетках, сделанных другими. Они нанесли эти измерения на диаграмму и обнаружили, что, учитывая их размер и скорость, эти органеллы должны испытывать ряд сопротивлений в цитоплазме.
«Если вы спросите ядро, они скажут вам, что цитоплазма похожа на мед, потому что они действительно большие и медленные, и они не чувствуют цитоскелетных структур – они только чувствуют вязкий раствор разобранного протеина и имеют очень маленькое сопротивление. "Го говорит. "Но митохондрии сказали бы, что это как зубная паста, потому что они меньше и быстрее, и иногда блокируются этими постоянно меняющимися структурами.
Лизосома, которая еще меньше и быстрее, скажет вам, что цитоплазма на самом деле Jell-O, потому что они движутся так быстро, что они постоянно отскакивают от этих структур и встречаются с сопротивлением, как резина. Таким образом, их просмотры ограничены их собственным размером и скоростью."
Гуо надеется, что ученые будут использовать фазовую диаграмму группы, чтобы охарактеризовать другие клеточные компоненты, чтобы понять, как они видят свое цитоплазматическое окружение.
«Люди могут использовать другие параметры, чтобы узнать, к какому участку фазовой диаграммы должны принадлежать различные органеллы», – говорит Гуо. "Это скажет вам, какой особый материал они будут чувствовать."