Физики описали процесс формирования белковых «узоров» на клеточной мембране

Немецкие физики предложили теорию для описания динамики формирования сложных белковых паттернов, необходимых для жизнедеятельности клеток. В основе разработанной теории лежит реакционно-диффузионная модель, которая позволяет описать образование поверхностных структур на мембране клеток кишечной палочки перед ее делением, пишут ученые в Nature Physics.

Обычно процесс формирования в биологических системах упорядоченных структур, состоящих из нескольких типов молекул (как в объеме клеток, так и, например, на поверхности клеточной мембраны), рассматривают в рамках классической равновесной термодинамики как стремление к глобальному положению равновесия. Тем не менее, значительная часть этих систем находится в состоянии, очень далеком от глобального равновесия, но при этом для них характерно большое количество состояний локального равновесия. Процесс самоорганизации в подобных системах, как правило, описывается с использованием моделей неравновесных нелинейных систем, которые находятся вдали от глобально равновесного состояния. Такие модели описывают не только химические процессы, а также, например, экономические или климатические системы, но из-за своей сложности они обычно изучаются численно. Тем не менее, математический аппарат для этих моделей достаточно хорошо разработан, однако для описания процессов формирования молекулярных паттернов в биологических системах, такие подходы практически не применялись.

Физики Якоб Халатек (Jacob Halatek) и Эрвин Фрей (Erwin Frey) из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана предложили использовать подобный теоретический подход для описания образования белковых паттернов на поверхности мембраны в тех случаях, когда система очевидно находится вдали от глобального положения равновесия. Упорядоченные динамические структуры из белковых полос различного состава образуются на клеточной мембране в результате процессов самоорганизации в тех случаях, когда концентрация соответствующих белков как на мембране, так и внутри цитоплазмы постоянно меняется за счет химических реакций, но при этом его общая концентрация в клетке остается постоянной.

Для описания такой системы ученые предложили использовать реакционно-диффузионную модель, которая используется для химических реакций, каким-то образом распределенных в пространстве, так что реагенты реакции перемещаются в среде за счет диффузии. Типичный пример системы, которая управляется реакционно-диффузионным механизмом — автоколебательный процесс при реакции Белоусова — Жаботинского, при котором может формироваться пространственная периодическая структура из различных компонентов.

Аналогичную по сути, но более сложную модель, использовали авторы в данном исследовании. Полную систему модель описывала как набор ячеек небольшого объема, в каждой из которых вещество стремится к локальному положению равновесия за счет химических реакций между белками. Между собой ячейки связаны за счет диффузии реагентов. За счет постоянного изменения концентраций веществ в каждой из ячеек происходит смещение локального равновесия, что ускоряет или замедляет протекание реакции. В итоге за счет изменения скоростей химических реакций и диффузии в такой системе происходит динамическое перераспределение концентраций белков, что и приводит к формированию периодических паттернов на поверхности клеточной мембраны.

Предложенную модель ученые проверили, описав процесс образования на мембране клетки кишечной палочки характерного паттерна из белков системы Min. С помощью таких структур, состоящих из трех различных белков, клетка готовится к делению и намечает плоскость, по которой оно будет происходить. Поскольку при этом происходит формирование упорядоченных динамических поверхностных структур, которые находятся в постоянном колебательном движении, эти белки очень часто используются как модельные объекты для изучения динамики формирования молекулярных паттернов.

Оказалось, что предложенный подход с помощью модели смещения локальных положений равновесия достаточно точно описывает процесс перехода от разупорядоченного в пространстве «турбулентного» состояния к упорядоченным полосатым структурам на мембране. В результате ученым удалось достаточно точно воспроизвести периодическую структуру белков MinD, характерной для клеток кишечной палочки перед делением клетки.

Авторы работы отмечают, что разработанный ими теоретический подход в будущем можно использовать и для изучения других биохимических систем, в которых формирование упорядоченных структур вдали от глобального положения равновесия происходит за счет периодических химических процессов. Предложенная модель может описывать и другие каталитические реакции, а также может быть использована и для процессов, происходящих в связанных системах с другими топологиями.

Формирование белковых структур на мембранах клеток и клеточных органоидов — один важных этапов их жизнедеятельности и деления. Например, на финальной стадии деления митохондрий белки динамины образуют на мембране специальные перетяжки. А белки Mic60 и Mic19 приводят к образованию у митохондрий сложной двойной мембраны митохондрий, которые помогают ей правильно делиться и принимать участие в клеточных энергетических процессах.

Александр Дубов