“Землетрясения” клеток могут помочь клеткам реагировать на внешний мир

Клетки животных получают свою структурную целостность от своего цитоскелета, изменяющей форму сетки нитей внутри клетки, которая помогает клетке организовывать свою структуру и взаимодействовать с окружающей средой. Несколько лет назад ученые заметили, что части цитоскелета иногда очень быстро перестраиваются, вызывая землетрясение в части клетки. Они назвали эти нарушения цитатрясениями, но никто не понял, как и почему они произошли.


Новое компьютерное моделирование, разработанное исследователями из Мэрилендского университета, показывает, что эти цитатрясения вызваны медленным накоплением и внезапным высвобождением механической энергии внутри клетки. Исследователи полагают, что землетрясения могут помочь клетке быстро реагировать на сигналы из внешней среды, такие как химические вещества, вырабатываемые другими клетками или гормоны в кровотоке.

Исследование опубликовано в номере журнала от 8 октября 2021 г. Труды Национальной академии наук. «Цитотрясения представляют собой внезапную реконструкцию очень важного компонента клетки, но физика, лежащая в основе них, на самом деле не была известна», – сказал Гарегин Папоян, соавтор исследования, профессор химии и биохимии Монро Мартин. совместное назначение в Институте физических наук и технологий Университета Мэриленда. «Мы думаем, что эти цитатрясения должны быть биологически важными, потому что цитоскелет участвует во многих функциях клетки. Понимание их физики может дать представление о том, как работают клетки».

Цитоскелет подобен внутреннему каркасу внутри клеток животных. Он состоит из сети нитей, которые постоянно растут, сжимаются, прикрепляются и отделяются друг от друга. Помимо обеспечения структуры клетки, нити также служат дорожками для химических сигналов, проходящих от одной части клетки к другой.

Папоян и его коллеги выдвинули гипотезу о том, что внезапная быстрая реструктуризация, происходящая при цитатрясениях, была результатом особой чувствительности физической структуры цитоскелета к окружающей среде. Он сравнивает это с чувствительностью кучи песка по сравнению с кирпичом. Оба могут состоять из одних и тех же молекул, но кирпич сохраняет свою структуру даже под давлением, не разрушаясь. Куча песка может сохранять свою структуру в течение долгого времени, но затем внезапно обрушивается лавиной скользящего песка.

Чтобы проверить гипотезу, команда создала компьютерную симуляцию модельного цитоскелета, используя новаторское программное обеспечение для моделирования активной материи, которое они разработали под названием MEDYAN для «механохимической динамики активных сетей». Программа применяет законы химии и физики, чтобы определить, как молекулы внутри цитоскелета взаимодействуют и ведут себя.

Исследование показало, что филаменты в цитоскелете устроены как структура тенсегрити, меняющая форму. В макроскопическом мире структура тенсегрити – это своего рода геометрическая игрушка или скульптура, сделанная из тросов и плавающих стержней, находящихся под натяжением и сжатием, которые, кажется, бросают вызов гравитации. Анализ этих клеточных структур тенсегрити помог Папояну и его коллегам понять снятие напряжения внутри цитоскелета. Они обнаружили, что напряжение, приложенное к одной области конструкции, может нарастать и вызывать напряжение, пока оно внезапно не исчезнет в другой области. Другими словами, цитоскелет больше похож на кучу песка, чем на кирпич.

Физическая структура цитоскелета позволяет создавать натяжение между некоторыми филаментами, например натяжение между песчинками в куче песка или между двумя тектоническими плитами вдоль линии разлома. Когда достигается какой-то порог, напряжение внезапно спадает, куча песка разрушается, грохот землетрясения или цитатрясение.

«Мы постулируем, что механизм цитатрясения заставляет клетку быстро реагировать на внешние сигналы из окружающей среды по сравнению с системой без этого механизма», – сказал Папоян.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments