Физики обнаружили притяжение между биомолекулами на расстоянии ста нанометров

Французские физики сообщили о первом экспериментальном обнаружении дальнодействующих сил притяжения между биологическими молекулами в солевом растворе, которые могут управлять их поведением даже на расстоянии ста нанометров. В качестве объекта исследования они использовали белок R-фикоэритрин, а в качестве методов — флуоресцентную корреляционную спектроскопию и терагерцовую спектроскопию. Исследование опубликовано в Science Advances.

С точки зрения физики живая материя представляется сложным круговоротом разнообразных взаимодействий между биомолекулами (преимущественно белками и нуклеиновыми кислотами), которая, тем не менее, довольно эффективна в реализации биологических функций. Подсчитано, что в человеческой клетке может происходить около 130000 различных бинарных взаимодействий между белками, из которых в достаточной мере изучено лишь 34000.

Эти силы, как правило, имеют электростатическую природу, чаще всего вандерваальсовую. Несмотря на то, в теории такие силы могут быть дальнодействующими (например, зависеть от расстояния по закону обратного куба), в реальности их взаимодействие ослабевает на масштабе нанометров из-за дебаевского экранирования, вызванного наличием во внутриклеточной жидкости свободных легких ионов. Таким образом, текущее понимание того, как та или иная молекула попадает в нужное место клетки в нужное время, опирается в основном на механизм ее случайного перемещения в результате диффузии.

Но недавно стали появляться сомнения в полноте такой картины. Так, физики поняли, что в условиях большого количества препятствий, которое имеет место в клетках, диффузия значительно замедляется. Кроме того, стали появляться экспериментальные свидетельства ее аномального характера, а также несоответствие между наблюдаемыми скоростями реакций в клетках и предсказаниями строго случайных моделей. В эту картину органически вписывается представление о дальнодействующих диполь-дипольных силах, которые устойчивы к затуханию благодаря своему резонансному характеру, однако ученые никогда не наблюдали их in vitro.

О том, что такие силы все же существуют, сообщила группа французских физиков под руководством Марко Петтини (Marco Pettini) из Университета Тулона. Они обнаружили, что возбуждение молекул белка светом в неравновесное коллективное колебательное состояние может менять силу взаимодействия между ними. Это изменение выражается как в терагерцовом отклике возбужденных молекул, так и в их пространственной кластеризации.

Взаимодействие электрически нейтральных молекул зависит от того, насколько сильно разнесены в пространстве центры их положительного и отрицательного заряда. Другими словами, насколько большой их дипольный момент. Наиболее сильное притяжение возникает между молекулами, обладающими постоянным дипольным моментом, чего нельзя сказать про большие биологические молекулы вроде белков. Тем не менее, если возбудить в такой молекуле коллективные колебания, то смещение зарядовой плотности будет создавать дипольный момент, который будет тем ощутимее, чем сильнее амплитуда этих колебаний. Это означает, что если поддерживать такие колебания некоторое время, это приведет к появлению сил диполь-дипольного притяжения, которые убывают по закону обратного куба, и могут привести к кластеризации молекул.

Чтобы проверить этот механизм, авторы провели два типа экспериментов с R-фикоэритрином, который известен своей высокой чувствительностью к красному свету. Облучение этого белка лазером с длиной волны 488 нанометров возбуждает в нем коллективные колебания с частотами 71 и 96 гигагерц. Физики исследовали образующееся притяжение, помещая молекулы в раствор хлорида натрия с концентрацией 200 миллимоль на литр, что обеспечивает хорошее экранирование электростатических сил.

В первом типе экспериментов авторы использовали флуоресцентную корреляционную спектроскопию, чтобы обнаружить кластеризацию молекул под действием наведенного притяжения. Этот метод заключается в измерении зависимости света, приходящего от молекул, от времени, по которому определяется их коэффициент диффузии. Диффузия частиц, в свою очередь, зависит от их размера. Это значит, что если частицы слиплись, то они менее интенсивно участвуют в броуновском движении.

Физики измеряли коэффициент диффузии при различных концентрациях молекул и различных интенсивностях лазера. Они обнаружили, что начиная с некоторого порога по обоим параметрам, этот коэффициент резко уменьшается на несколько порядков. Численные симуляции оказались в хорошем согласии с результатами измерений и подтвердили, что достаточно интенсивный свет индуцирует дипольный момент, которого хватает, чтобы молекулы начали объединяться в кластеры.

Другой эксперимент заключался в измерении частотного отклика колебаний. Дело в том, что частота коллективного колебания молекулы чувствительная к условиям, в которых она оказывается. Если молекула испытывает дополнительное притяжение, это несколько деформирует ее структуру, что выражается в частотном сдвиге. Этот сдвиг тем сильнее, чем больше сила, которая зависит от расстояния между молекулами. В случае, когда кластеризация еще не происходит, сдвиг должен зависеть от среднего расстояния между молекулами по закону обратного куба, и, следовательно, линейно от их концентрации. Именно такую зависимость увидели физики.

Авторы подчеркивают универсальный характер этих сил. Он подтверждается дополнительными экспериментами, которые они провели с бычьим сывороточным альбумином. Вместе с тем, пока остается неясным вопрос, что становится источником энергии для белков внутри клетки. В качестве кандидатов на эту роль ученые рассматривают молекулы АТФ, ионные токи либо свет, производимый митохондриями.

Силы Ван-дер-Ваальса возникают не только между молекулами, но даже между инертными атомами, хотя в этом случае они гораздо слабее. Это не помешало физикам измерить их с помощью атомно-силового микроскопа.

Марат Хамадеев