Оказывается, цитоплазма представляет собой эластичный гель, поэтому он оказывает некоторое сопротивление простой диффузии. Но энергетические процессы в других частях клетки – особенно в цитоскелете – создают случайные, но мощные волны в цитоплазме, толкая как белки, так и органеллы. Подобно обломкам и реактивным самолетам, отбиваемым следами от проходящих судов, взвешенные частицы разлетаются гораздо быстрее и шире, чем в спокойном море.
Поскольку транспорт внутри цитоплазмы зависит, главным образом, от отдельных процессов, потребляющих энергию, измерение спектра сил, действующих на цитоплазму в любой момент времени, может обеспечить моментальный снимок метаболического состояния клетки.
Под руководством Дэвида А. Вайц, профессор физики и прикладной физики Маллинкродта в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук (SEAS), группа прикладных физиков и клеточных биологов представили эту новую модель цитоплазмы и продемонстрировали способ количественной оценки совокупных сил, ощущаемых частицы и органеллы в клетке. Их результаты, опубликованные 14 августа в журнале Cell, поднимают множество новых вопросов о клеточной динамике. Они также предоставляют новый надежный инструмент для будущих расследований.
«Наше исследование дает первое реальное физическое понимание цитоплазмы в клетках млекопитающих», – говорит ведущий автор Минг Го, доктор философии.D. ’14, бывший аспирант прикладной физики Гарвардского SEAS, который теперь продолжает работать в качестве постдокторанта, чтобы продолжить изучение фундаментальной биофизики клеток. "Эта работа будет иметь решающее значение для будущих исследований в области развития, биологии рака и метаболизма."
До сих пор клеточные биологи предполагали, что частицы и другие объекты пассивно диффундируют через цитоплазму, потому что они случайным образом сталкиваются с соседними молекулами – процесс, называемый термодиффузией или броуновским движением.
Ведь под микроскопом резкие движения таких частиц действительно напоминают термодиффузию. Полагаясь на это предположение и не имея инструментов для его проверки, говорит Гуо, исследователи в этой области недооценили важность цитоплазмы как участника более сложной клеточной динамики.
«Я разговаривал со многими людьми в разных университетах, и, похоже, многие из них думают:« О, это очень просто – это должна быть просто термодиффузия », – объясняет он. "Это такая красивая идея. Это очень просто. Это имеет смысл. Но это не так."
Подобно тому, как ложка может взбалтывать сахар в кофейной чашке, помогая ему раствориться, клеточные механизмы не позволяют взвешенным частицам прийти в равновесие. Молекулярные моторы, которые постоянно тянут за нити актомиозина, строительных блоков мышечных волокон, являются основным виновником, но другие ферментативные активности также могут создавать эти волны.
Гуо, Вайц и их сотрудники проверили эту теорию в серии экспериментов с «нокаутом», в которых они удалили источник топлива из клеток, аденозинтрифосфат (АТФ). В голодных клетках взвешенные частицы и эндогенные органеллы перемещались гораздо медленнее.
Они также разработали новую процедуру для измерения общей величины флуктуирующих сил в цитоплазме живых клеток, а также зависимости этих сил от частоты.
Они называют это микроскопией силового спектра (FSM), потому что в ней используется комбинация микроскопии, микрореологии и оптического пинцета для измерения жесткости цитоплазмы и движения введенной инертной частицы. Разница между наблюдаемым движением и ожидаемым тепловым движением из измеренной цитоплазматической механики дает им достаточно информации для расчета других сил внутри клетки.
«Впервые стало возможным измерить совокупные силы в клетке, что теперь позволит нам различать состояние ее моторной или ферментативной активности в разных условиях или при разных стимулах», – говорит Вейтц. "Эта информация должна дать совершенно новый взгляд на поведение клеток."
Помимо работы в Harvard SEAS, Вайц является директором Гарвардского центра материаловедения и инженерии, содиректором BASF Advanced Research Initiative, членом Института Кавли по науке и технологиям Bionano, а также сотрудником Wyss.
Институт биологической инженерии.
«Наши результаты предполагают, что факторы, влияющие на активность молекулярных моторов, косвенно управляют общей реологией цитоплазмы», – говорит соавтор Дженнифер Липпинкотт-Шварц, выдающийся исследователь Национального института здравоохранения и руководитель отдела биологии органелл Национального института здоровья детей им. Юнис Кеннеди Шрайвер. и человеческое развитие (NICHD).
«Вывод о том, что цитоплазма лучше всего моделируется как эластичный гель, находящийся вне равновесия, а не как броуновская жидкость, имеет важные последствия», – говорит она. "Это означает, что факторы, регулирующие жесткость и движение цитоплазмы, происходят из основного энергетического состояния клетки."
Команда исследователей наблюдала это на практике, когда они измеряли и сравнивали цитоплазматические силы в доброкачественных и злокачественных клетках молочной железы. Гиперактивные злокачественные клетки проявляют гораздо более сильные совокупные силы.
Короче говоря, изменения в активности молекулярных моторов и другой ферментативной активности могут влиять на клеточные свойства, такие как жесткость цитоплазмы и то, насколько легко объекты могут перемещаться внутри нее. Цитоплазматические изменения могут затем повлиять на другие клеточные активности ниже по течению.
Будущие исследования с использованием микроскопии силового спектра могут пролить новый свет на эластичные свойства как цитоплазмы, так и нуклеоплазмы, а также на то, как эти свойства влияют на экспрессию генов, метаболическую сигнализацию, рост и подвижность клеток.