К удивлению учёных, получаемые с помощью гомогенизатора смеси цитоплазмы могут реорганизовываться в клеткоподобные компартменты с действующими структурными компонентами.
Обработанный в блендере банан вы не рассчитываете извлечь целым. А вот обработав схожим образом кучку живых клеток, вы, согласно данным нового исследования, возможно, снова получите их.
Цитоплазма (жидкое содержимое клетки), если всего лишь оставить её в покое, обладает удивительной способностью восстанавливать исходную структуру — даже при отсутствии компонентов, которые, как считали некоторые учёные, являются существенными. Эксперименты, недавно описанные в Science, показали неожиданные масштабы этого таланта и вскрыли его механику. Они живо продемонстрировали, как здорово оснащены клетки для того, чтобы приводить себя в порядок в случае возникновения хаоса, и озарили ярким светом планы учёных, которые надеются когда-нибудь получить клетки искусственным путём.
«Это открытие произошло совершенно случайно, как если бы его сделал восьмилетний ребёнок, решивший поэкспериментировать, — говорит Джеймс Феррелл (James Ferrell), химик и системный биолог с медицинского факультета Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine). — Всего лишь взяли несколько икринок и поместили их в гомогенизатор, чтобы посмотреть, что получится».
Когда Сяньжуй Чэн (Xianrui Cheng), постдок из лаборатории Феррелла, впервые наблюдал, как гомогенизируются икринки, он исследовал не это, а сигналы, предписывающие клеткам умирать. Для нормального роста и развития организму необходимо, чтобы в определённый срок некоторые его клетки умирали. Чэн хотел увидеть, как сигнал, ответственный за апоптоз (клеточное самоубийство), распространяется внутри клетки, и для этого исследователю нужна была цитоплазма.
Он получил её так, как сделал бы и восьмилетний ребёнок: гомогенизировал в центрифуге, как в блендере, массу икринок обычного лабораторного животного — приземистой африканской амфибии Xenopus laevis (гладкая шпорцевая лягушка). Каждая из этих яйцеклеток имеет внушительный размер (более 1 миллиметра в поперечнике), что делает их обильными источниками цитоплазмы.
Затем Чэн добавил лягушачью сперму, хотя его целью не было (и не могло быть) оплодотворение полученной смеси. Его интересовало другое. Благодаря более ранним исследованиям он знал, что по мере распространения в цитоплазме «сигнала смерти» ядра сперматозоидов должны исчезать. По исчезновению этих ядер, подвергнув цитоплазму в одном из концов пробирки действию триггера апоптоза, можно отслеживать распространение данного сигнала.
Но, наблюдая за ядрами до их исчезновения, исследователь заметил, что с ними происходит что-то странное. Вместо того чтобы оставаться там, где они изначально случайно оказались, ядра сперматозоидов перемещались и, по-видимому, организовывались. Разглядывая через микроскоп каплю цитоплазмы, помещённую на предметном стекле, Чэн наблюдал за тем, как ядра сами по себе создают решётчатую формацию. Более того, клеточные органы (органеллы) и скелетные белки группировались вокруг ядер, создавая компартменты, которые напомнили Чэну слой кожных клеток.
Чэн повторил свой опыт, не добавляя сперму. Однако и на этот раз появились клеткоподобные компартменты. «Я подумал: как это может быть? — вспоминает Чэн. — Мы гомогенизировали биологический материал, живую материю. Как же она смогла вернуться к сложной организации? Будто воскресла».
Эту активность, какой бы поразительной она ни казалась, беспрецедентной не назовёшь. На многих уровнях живых систем имеет место самоорганизация. Создайте из аминокислот правильную последовательность — и длинная пептидная цепь превратится в рабочий белок. Клетки эмбриона в материнской утробе сами по себе организуются таким образом, чтобы возникли ткани, необходимые для построения человека.
Действуя так же, как и Чэн, учёные брали молекулярные компоненты многих клеточных структур — включая рибосомы, эндоплазматическую сеть, веретено, разделяющее хромосомы во время деления клетки, и комплексы, вызывающие деление материнской клетки на дочерние, — и вынуждали их перестраиваться вне живых клеток.
Но, несмотря на все предыдущие успехи в деле создания различных клеточных структур вне естественной клеточной среды, подчёркивает специализирующаяся на исследовании клеток Ребекка Хилд (Rebecca Heald), биолог из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley), Чэн и Феррелл — первые учёные, в чьих опытах имеющая все необходимые компоненты цитоплазма сама себя организовала так, как если бы она находилась внутри целой клетки.
«Это восхитительная демонстрация свойств цитоплазмы и её способности к самоорганизации, — считает Хилд. — Смотришь — и поражаешься тому, что такая организация может спонтанно возникать после гомогенизации икры».
Наблюдая, как появляются компартменты, Чэн и Феррелл решили выяснить, в чём состоит секрет. С самого начала они знали, что ДНК, содержащаяся в сперме, здесь ни при чём, поскольку самоорганизация не требует экспрессии генов. Однако в ходе «расследования» им удалось быстро сосредоточиться на другом «подозреваемом» — на полученной из спермы звёздчатой органелле, называемой звездой (aster). «Мы смекнули: ага, сперматозоиды создают структуры в форме звёзд, а звёзды делят цитоплазму», — вспоминает Феррелл.
Звёзды, состоящие из полых палочек, называемых микротрубочками, возникают из структуры, известной как центросома. Она организует эти микротрубочки. В промежутках между делениями клеток звёзды организуют содержимое клетки. В икре лягушек пригодные для использования центросомы отсутствуют, поэтому Чэн, добавив сперматозоиды, снабдил цитоплазму мощным организационным инструментом.
Но не таким, без которого цитоплазме никак не обойтись: хотя в отсутствие спермы компартментализация идёт почти вдвое дольше и по-другому, она всё же происходит. В цитоплазме формируются небольшие пустоты, которые, объединяясь, образуют пустые пограничные зоны. Ограниченные этими зонами микротрубочки организуются, в результате чего возникают компартменты, очень напоминающие те, которые формируются под руководством сперматозоидных центросом.
«Меня этим не удивить, а для других, конечно, в диковинку», — говорит Хилд. Её собственное исследование, наряду с исследованиями других учёных, показало, что структуры, состоящие из микротрубочек, можно создавать без центросом. Дело в самих микротрубочках. «В биологии сплошь и рядом избыточность, ибо, если какой-то процесс очень важен, хочется, чтобы был целый ряд механизмов, которые его поддерживают».
Подобно магнитам, микротрубочки поляризованы. Их положительные концы обращены наружу, а отрицательные прикреплены к центросоме, которая часто находится рядом с ядром. В результате получается то, что Хилд характеризует как внутриклеточный компас. Моторные белки, такие как динеин, перенося грузы, перемещаются вдоль микротрубочек и при этом руководствуются их полярностью. (Иногда грузом являются кусочки микротрубочек, которые необходимо переместить).
Чэн и Феррелл обнаружили, что для самоорганизации необходимы как микротрубочки, так и моторные белки. Когда исследователи препятствовали образованию микротрубочек и ингибировали действие динеина, формирование компартментов прекращалось или возникал серьёзный сбой. Учёные предполагали, что для компартментализации необходим и другой важный компонент внутренней структуры клетки — микрофиламенты глобулярного белка актина, — но оказалось, что это не так.
Хилд подозревает, что, за некоторыми исключениями, другие клетки тоже способны к самосборке. «У некоторых типов клеток организация такая сложная, что её нельзя воссоздать», — отметила она в электронном письме. В настоящее время Чэн тестирует другие типы клеток и икру других видов животных.
Данная способность, полагает Феррелл, может быть весьма кстати, когда завершается деление клеток и им нужно реорганизовать только что унаследованные ими компоненты. Кроме того, исследователь подозревает, что определённые типы клеток могут иметь особую потребность в самосборке — например, иммунные и раковые клетки, которым, когда они протискиваются через узкие места в тканях, приходится перемешивать своё содержимое.
«Думаю, что мы всё ещё не полностью осознали мощь эволюции биологических систем, — считает Феррелл. — Пройдя естественный отбор, они обрели способность не только функционировать, но и самостоятельно строить, организовывать себя».
У компартмента, возникшего в процессе самоорганизации, нет мембраны — одного из основных компонентов клетки. Мембрана, окружающая клетку, определяет её границы и её связь с внешним миром. «Она сродни коже организма», — написал в электронном письме журналу Quanta биолог, специализирующийся на исследовании клеток, Мишель Борненс (Michel Bornens) из парижского Института Кюри (фр. Institut Curie)..
Из-за отсутствия мембран компартменты напоминают клетки синцития — странные биологические образования естественного происхождения. В этих крупных клетках, обнаруженных в таких организмах, как слизевики и эмбрионы плодовой мухи, несколько ядер имеют одну и ту же цитоплазму. По словам Эрика Гриффина (Erik Griffin), биолога-эволюциониста Дартмутского колледжа (Dartmouth College), один эмбрион мухи может содержать около 6000 ядер, не отделённых друг от друга какими-либо границами. «Вот на что, по-моему, это походит», — сказал Гриффин о клеткоподобных компартментах и добавил, что они, вероятно, помогут объяснить самоорганизацию больших синцитиальных систем.
В экспериментах Чэна и Феррелла компартменты, содержавшие сперму, делились, как ядра в развивающемся эмбрионе плодовой мухи, чтобы произвести на свет большее количество самих себя. С точки зрения Хилд, это — «совершенно неожиданный» результат. Обычно в таком процессе границы создаются мембранами, а здесь функцию границ взялись выполнять пустоты, окружавшие компартменты. «Нельзя наблюдать разделение, если не возникают границы, — отмечает она. — Тут имеет место спонтанный процесс разграничения».
По словам Борненса, если удастся создавать вокруг каждого клеткоподобного компартмента мембрану и тем самым превращать эти компартменты в «действительно восстановленные клетки», произойдёт настоящий прорыв.
Более двух десятилетий биологи ищут пути воссоздания клеток из минимального набора компонентов. До появления таких искусственных клеток, по-видимому, ещё далеко, но исследования, ведущиеся в данном направлении, могут оказать существенную помощь в изучении функционирования и самоорганизации естественных клеток. Кроме того, они могут подсказать, как конструировать клетки, способные выполнять новые задачи.
На сегодняшний день известно о нескольких экспериментах по разделению искусственных клеток. Биологи пытались делать это разными методами, например, используя крошечные капельки и камеры. Однако, по мнению Гриффина, открытие того, что цитоплазма может самоорганизовываться в клеткоподобные компартменты, показало, что можно обойтись без инженерии. «Такие клетки всё сделают сами, — говорит он. — Разница состоит в том, что навязывать им структуру не нужно, ибо здесь она формируется естественным путём».
