Ограниченная концентрация белков привела к образованию микротрубочек двух длин
Биофизики разработали теоретическую модель, которая описывает изменение длины микротрубочек, в частности, при формировании веретена деления во время митоза. Оказалось, что если количество свободных белков, влияющих на процессы полимеризации и деполимеризации микротрубочек, ограничено, то для них характерно сразу две равновесных длины, между которыми может происходить фазовый переход, пишут ученые в Physical Review Letters.
Один из основных компонентов цитоскелета — микротрубочки. Это цилиндрические образования диаметром около 25 нанометров и длиной от единиц до сотен микрометров, состоящие из молекул тубулина. За счет движения по тубулину моторных белков — кинезина или динеина — микротрубочки обеспечивают протекание многих динамических процессов в клетке, связанных с изменением ее формы, транспортом веществ и движением клеточных органоидов. В частности, микротрубочки принимают активное участие в делении клетки: они образуют веретено деления — динамическую структуру, по которой хромосомы, изначально находившиеся в одном ядре, расползаются в разные стороны.
Чтобы описать, как при митозе может меняться длина микротрубочек, биофизики из Германии и Нидерландов под руководством Эрвина Фрая (Erwin Frey) из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана разработали теоретическую модель, связывающую эту длину с концентрацией в окружающем пространстве тубулина, кинезина и деполимеразы микротрубочек — фермента, который отвечает за разборку микротрубочки. Предложенная модель связывает между собой два конкурирующих процесса: спонтанную полимеризацию в условиях ограниченного количества в цитоплазме тубулина и деполимеразцию под действием фермента и кинезина.
В одной из предыдущих работ ученые показали, что механизм деполимеризации микротрубочки во многом определяется концентрацией кинезина в цитоплазме. После прикрепления к микротрубочке кинезин двигается, перепрыгивая с одной тубулиновой единицы на другую, а когда доходит до конца микротрубочки — отрывается, забирая последнюю молекулу тубулина с собой в цитоплазму. Таким образом, чем больше кинезина в данный момент находится на одной микротрубочке, тем быстрее она будет разбираться. Именно поэтому, если концентрации всех трех свободных белков: тубулина, кинезина и деполимеразы — в клетке ограничена (как это в клетке бывает практически всегда, в том числе и при образовании веретена деления), то именно они и будут определять длину микротрубочки.
Связав между собой скорости реакций всех процессов, проходящих между тремя этими белками при полимеризации микротрубочки с одного конца и ее деполимеризации — с другого, ученые увидели влияние концентрации белков на длину микротрубочки. По результатам, полученным численно с помощью предложенной модели, оказалось, что при характерных для цитоплазмы концентрациях белков, возможны ситуации, при которых для такой системы существуют два положения равновесия — микротрубочка может иметь одну из двух длин, иногда переключаясь между двумя состояниями.
С помощью экспериментов in vitro ученые подтвердили, что бистабильная система действительно наблюдается в широком диапазоне концентраций кинезина, характерных для жизнедеятельности клетки. Поэтому экспериментально ученым удалось измерить бимодальное распределение по длине: например, если при концентрациях 0 или 400 наномоль на литр кинезина в распределении наблюдается только один пик, то для промежуточных концентраций присутствуют два ярко выраженных максимума, которые сохраняются в течение длительного времени. Все эти данные хорошо согласуются с теоретическими оценками.
В ближайшем будущем авторы планируют использовать полученные ими результаты и для теоретического описания и моделирования процессов, происходящих непосредственно в живой клетке, при которых ограниченные концентрации белков должны привести к бимодальному распределению микротрубочек по длине, в том числе и при делении клетки.
Недавно ученые смогли снять некоторые динамические процессы, происходящие с клеткой, в том числе и ее деление с образованием митотического веретена, на видео сверхвысокого разрешения с частотой до 200 кадров в секунду. А более подробно о цитоскелете и процессах деления клетки вы можете прочитать (а также посмотреть на фотографии этого процесса) в нашем иллюстрированном материале «Делим на два».
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».