Во многих биологических процессах взаимодействие клеток и их связь с окружающей средой имеют решающее значение для их функционирования. Чтобы чувствовать свое окружение, клетки используют структуры, похожие на пальцы, которые на самом деле представляют собой трубчатые выступы из клеточной мембраны. Эти трубки называются филоподиями, и они могут передавать в клетку сообщения как о химическом, так и о физическом окружении.
Например, клетки используют структуры филоподий для правильного развития эмбриона, для роста нервных клеток и когда клеткам (например, макрофагам) необходимо мигрировать к патогенным бактериям, чтобы удалить их.
"Структуры филоподий очень динамичны и могут как сокращаться, так и удлиняться, а также активно изгибаться во всех направлениях. Но что позволяет им двигаться, как они контролируют свои движения и какие силы используют??
Это то, что мы хотели выяснить », – объясняет Пол Мартин Бендикс, доцент исследовательской группы BioComplexity Института Нильса Бора Копенгагенского университета.
Исследователи Наташа Лейнсе, Лене Оддершеде и Пол Мартин Бендикс изучали физические свойства филоподий, используя оптическую ловушку, которая представляет собой микроскоп, в котором вы можете удерживать и влиять на отдельные живые клетки с помощью высоко сфокусированного лазера, наблюдая, измеряя и отслеживая их движения.
Чтобы лучше отслеживать движения, исследователи поместили небольшой пластиковый шарик на кончик структуры филоподий и, выполнив измерения сверхчувствительной силы, они смогли измерить динамическую активность отдельных филоподий. В дополнение к измерениям силы внутренний «скелет» филоподий, называемый актином, который отвечает за движение филоподий, был помечен флуоресцентными маркерами, чтобы отслеживать движения в микроскоп.
Обнаружил новый механизм
«В эксперименте мы схватили мяч, сидящий на конце антенны филоподий, и потянули его с помощью сверхчувствительного силового микроскопа в течение 20 минут. Мы могли измерить, что клетки отталкиваются с силой 1-100 пиконьютон – эквивалент силы тяжести одного эритроцита. Кроме того, исследование выявило новый механизм, который филоподии используют для перемещения.
Мы заметили, что актин внутри филоподий проявлял заметное скручивающее движение, и когда он отодвигался, образовывались спиральные складки – точно так же, как когда вы скручиваете эластичную ленту, крепко держась за один конец и потянув за другой », – объясняет Пол Мартин Бендикс.
Эти спиральные складки были сняты с помощью флуоресцентной микроскопии, при этом измерялось сокращение. Механизм вращения, который сформировал спираль в структуре актина, важен для того, чтобы филоподии могли исследовать окружающую их среду посредством вращательного движения.
«Эти новые результаты показывают удивительный новый механизм, в котором вращение превращается в механическую особенность, которая позволяет клетке взаимодействовать с соседними клетками», – говорит Пол Мартин Бендикс.
Он объясняет, что спиралевидные структуры встречаются повсюду в природе, например, это скрученная цепь ДНК, а также волосовидные реснички и жгутики, которые представляют собой своего рода вращающуюся спираль, которая дает некоторым бактериям и сперматозоидам способность к плавать.
Спиралевидные филоподии ранее предсказывались теоретически, но предсказания основывались на другом механизме спиралевидного образования.
Однако эти спиралевидные складки также могут быть доказаны теоретически путем моделирования вращающейся структуры актина внутри мембранной трубки.
«Наши результаты показывают, что эксперименты и теоретические расчеты хорошо работают вместе при изучении биологических механизмов», – говорит Пол Мартин Бендикс. .