Препятствия в мембране открывают новые возможности для понимания распространения физических сил в нейронах.

от

Как развиваются эмбрионы? Почему кора головного мозга млекопитающих складывается? Как мы ощущаем прикосновение кончиками пальцев?

Эти и другие фундаментальные биологические вопросы остаются нерешёнными. Однако учёные знают, что все они основаны на общем принципе: преобразовании физического стимула в биохимический сигнал.

Область механобиологии недавно получила новые сведения о том, какие физические сигналы распространяются через клетки и как далеко они распространяются.

Одним из ключевых открытий стало то, что реологические свойства клеточной мембраны (как она деформируется и течёт под воздействием стресса) играют ключевую роль в таком распространении. Тем не менее многие детали этого сложного механизма остаются неясными.

Исследователи из ICFO доктор Фредерик Катала-Кастро и доктор Нейус Санфелиу-Сердан под руководством профессора Майкла Крига из ICFO вместе с группой профессора Падмини Рангамани из Калифорнийского университета в Сан-Диего пролили больше света на то, как нейроны передают напряжение через свои мембраны.

В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, они представили наиболее подробное описание на сегодняшний день молекулярных процессов, лежащих в основе этого явления. Исследование сосредоточено на двух различных механорецепторах у круглого червя Caenorhabditis elegans: рецепторах прикосновения, которые очень быстро реагируют на контакт, и проприорецепторах, которые ощущают быстрые деформации тела во время движения.

Интересно, что это исследование началось как побочный проект, вызванный предыдущими противоречивыми сообщениями в литературе. «Наша прошлая работа была сосредоточена на цитоскелете, но мы начали задаваться вопросом, может ли плазматическая мембрана также передавать механическую информацию», — объясняет профессор Майкл Криг, ведущий автор исследования.

Для изучения этого вопроса они использовали оптический пинцет — инструмент, основанный на высокофокусированных лазерных лучах, который может как манипулировать микроскопическими объектами, так и измерять силы с исключительной точностью.

В своих экспериментах исследователи прикрепили две пластиковые микросферы к аксонам или нейритам изолированных нейронов, потянули их с помощью оптических пинцетов и измерили, как создаваемое напряжение распространяется от одной к другой с исключительной точностью (в масштабах пиконьютонов и миллисекунд).

Результаты показали, что распространение напряжения происходит быстрее в рецепторах прикосновения, чем в проприорецепторах. Ещё более интригующим стало то, что исследователи обнаружили: на распространение влияет не только наличие препятствий в мембране — в основном встроенных белков — но и то, как эти препятствия расположены.

Математическое моделирование вместе с экспериментальными данными показало, что, когда препятствия выровнены в регулярном порядке, они ограничивают распространение на более короткие расстояния. Согласно исследователям, контролируемое, ограниченное распространение напряжения может быть не ограничением. Вместо этого оно может помочь нейронам точно определять, где приложена сила, различать разные стимулы и генерировать локализованные ответы, не затрагивая всю клетку.

Это, в свою очередь, может повысить способность нейрона к сенсорной обработке или выработке более адаптивных двигательных реакций. Напротив, случайное расположение препятствий позволяет напряжению распространяться гораздо дальше, потенциально помогая клеткам распространять механическую информацию на большие расстояния.

Трёхмерное моделирование, созданное в лаборатории Рангамани, сыграло решающую роль в выявлении роли расположения препятствий, поскольку позволило исследователям наконец объединить свои многочисленные наблюдения в общую систему.

«Вариативность измерений, клеточная гетерогенность и стохастичность лежащих в основе молекулярных процессов создали значительные трудности для интерпретации результатов», — вспоминает профессор Криг. «Разработка трёхмерной модели изменила всё. Она дала нам необходимую согласованность для того, чтобы сделать твёрдые выводы, превратив идею в одно захватывающее озарение».

В будущем исследователи планируют изучить другие взаимодействия клетки с окружающей средой, многие из которых были в значительной степени проигнорированы, а также определить молекулярную идентичность препятствий и то, как они регулируются. «Возможно даже, что само напряжение плазматической мембраны регулирует препятствия в петле обратной связи», — предполагают они.

На данный момент исследование уже знаменует собой крупный прорыв в механобиологии.

Доктор Ева Крейзинг, эксперт по нейробиологии развития из Кембриджского университета, которая не участвовала в работе, прокомментировала в журнале Nature Physics: «Это очень своевременная статья. Учитывая важную роль, которую, как было показано, играет напряжение мембраны в регуляции функции клеток, очень важно понять, насколько локализован этот параметр и как далеко он распространяется».

Следующей задачей станет связывание этих физических идей с конкретными молекулярными механизмами, в конечном итоге преодолевая разрыв между механическими силами на мембране и биологическими решениями, которые они вызывают.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте