Учёные обнаружили ранее неизвестный тип молекулярного движения внутри капель на основе ДНК: вместо того, чтобы распространяться в случайном порядке, гостевые молекулы продвигаются организованной волной. Эта удивительная находка открывает дверь к пониманию того, как клетки могут организовывать внутренние процессы без мембран. Используя индивидуализированные конденсаты ДНК в качестве экспериментальных моделей, учёные показали, что молекулярные волны появляются благодаря высокоточным взаимодействиям. Эти знания могут не только трансформировать наше понимание клеточных сигналов, но и положить фундамент для лечения нейродегенеративных заболеваний, путём воздействия на поведение молекул внутри стареющих клеток.
Исследователи из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (УИГ), Института исследований полимеров Макса Планка и Техасского университета идентифицировали ранее не наблюдавшийся вид молекулярного движения. Когда так называемые «гостевые» молекулы, находящиеся внутри молекулы-хозяина, проникают в капли полимеров ДНК, они не просто беспорядочно сливаются с ними, они проходят сквозь них в виде явно различимой фронтальной волны «Мы этого совершенно не ожидали», — отмечает Вэйсян Чен с департамента химии УИГ, сыгравший в открытии главную роль. Результаты исследования были опубликованы в статье престижного журнала Nature Nanotechnology. Новые данные не только фундаментальны для нашего понимания того, как клетки управляют сигналами, но они также могут поспособствовать развитию умных биоматериалов, новых типов мембран, программируемых носителей активных ингредиентов и синтетических клеточных систем, способных имитировать организационную сложность процессов живых существ. Модель молекулярных волн вместо традиционной диффузии.
Обычно молекулы распространяются в жидкостях посредством обычной диффузии. Например, если вы добавите в стакан воды синий пигмент, он постепенно растворится в жидкости, образовав мягкий, размытый цветовой градиент. «В противоположность традиционным моделям, молекулы передвигаются структурированным и контролируемым образом, и это похоже на волну из молекул или подвижную границу», — объясняет проф. Андреас Вальтер из департамента химии УИГ, руководивший исследовательским проектом.
Исследователи использовали капли, состоящие из тысяч отдельных нитей ДНК, также известных как биомолекулярные конденсаты. В связи с этим особый интерес представляет тот факт, что каплям можно придать конкретные свойства с помощью структур ДНК и других параметров, таких как концентрация солей. Более того, в биологических клетках у этих капель есть аналоги, способные пользоваться подобными конденсатами для организации сложных биохимических процессов без необходимости в мембранах. «Таким образом, наши синтетические капли представляют собой превосходную модельную систему, с помощью которой мы можем симулировать природные процессы и получать лучшее представление о них», — подчёркивает Чен. Исследователи добавили в свои капли специально разработанные «гостевые» нити ДНК, способные специфически распознавать внутреннюю структуру капель и связываться с ними. По словам учёных, интригующее движение гостевых молекул, впервые зафиксированное ими, отчасти может объясняться тем, что добавленная и присутствующая в каплях ДНК соединяются по принципу ключа и замка. Это означает, что окружающий материал становится менее плотным и более не зафиксирован в пространстве, поэтому на локальном уровне возникают «разбухающие», динамические состояния. Чен добавляет: «Ясно очерченный, высоко сконцентрированный фронт продолжает двигаться вперёд линейно с ходом времени, управляясь химическим связыванием, конверсией материала и программируемыми взаимодействиями ДНК. Это — нечто абсолютно новое, когда мы имеем дело с мягкой материей».
Новый фундамент для понимания клеточных процессов
Эти результаты важны не только потому, что дают нам улучшенное понимание физики мягких материй, но также потому, что улучшают наше знание происходящих в клетках химических процессов. «Возможно, это один из недостающих кусочков пазла, который, когда будет собран, покажет нам как клетки управляют сигналами и организуют процессы на молекулярном уровне», — утверждает Вальтер. Также это может быть интересно в отношении лечения нейродегенеративных заболеваний, где белки мигрируют из ядра клетки в цитоплазму, образуя там конденсаты. Старея, они переходят из динамического состояния в более статичное, и образуют приводящие к проблемам фибриллы. «Вполне допустимо, что мы сможем обнаружить новый способ влиять на эти процессы старения с помощью наших знаний, так что, в долгосрочной перспективе может появиться абсолютно новый подход к лечению нейродегенеративных заболеваний», — заключает Вальтер.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Университетом Иоганна Гутенберга в Майнце.
Вам также может быть интересно: