Внутри клетки трудно двигаться

Клеточная цитоплазма по-разному мешает частицам, которые в ней плавают.

В живой клетке постоянно что-то движется: большие и малые молекулы, надмолекулярные комплексы, вроде рибосом, и даже целые органеллы, вроде митохондрий и лизосом, перемещаются с места на место. И дело не только в простой диффузии. У клеток есть специальные моторные белки, которые активно перетаскивают грузы по внутриклеточному пространству, тратя на это энергию.

Клетка пронизана во всех направлениях длинными цитоскелетными нитями, и белки-перевозчики в прямом смысле «ходят» по цитоскелету, таща за собой груз. Большинство исследований внутриклеточного транспорта посвящены как раз таким моторным белкам. Но ведь перевозчик работает не в пустом пространстве, вокруг него – цитоплазма, в которой плавает огромное число все тех же молекул и молекулярных комплексов. Очевидно, что, двигаясь в цитоплазме, нужно преодолевать сопротивление среды, порой довольно сильное.

Исследователи из Массачусетского технологического института решили оценить, насколько сложно двигаться большим и малым частицам в цитоплазме клеток млекопитающих. В клетки вводили частицы размером от 0,5 до 1,5 микрометров – в этот интервал укладывается большая часть клеточных органелл. Каждой частицей управляли с помощью оптического пинцета – сфокусированного лазерного луча, способного передвигать микроскопические объекты. Толкая частицу к краю клетки, можно было измерять силу, которая нужна, чтобы переместить объект на определенное расстояние.

Как мы сказали, цитоплазма содержит очень много всего. И, с одной стороны, продвижению в ней мешает обычная вода, которая должна расходиться перед движущимся объектом, а с другой стороны, движущийся объект постоянно вынужден постоянно сталкиваться с разнообразными молекулами и их комплексами.

Во втором случае главным препятствием оказывается цитоскелет – сеть опорно-транспортных белковых нитей, пронизывающих, как мы говорили выше, всю внутренность клетки. Цитоскелет – структура гибкая и динамическая, его нити постоянно собираются и разбираются, и вязкость цитоплазмы, обусловленная цитоскелетом, зависит от того, насколько быстро он перестраивается.

В статье в PNAS говорится, что, в зависимости от размеров и скорости частицы, главным препятствием в ее продвижении оказывается преимущественно либо «водная вязкость», либо «цитоскелетная вязкость». Если частица движется быстро, то главной проблемой станет цитоскелет, нити которого просто не будут успевать расходиться и разбираться у нее на пути.

Если частица довольно велика, то основной проблемой станет вода – чтобы тело с обширной поверхностью прошло вперед, ему нужно разогнать перед собой очень и очень много водяных молекул. Соответственно, при разных скоростях и разных размерах движущейся частицы «цитоскелетная» и «водная» вязкость будут вносить тот или иной вклад в сопротивление среды.

Авторы работы сравнили свои результаты с другими данными о том, как движутся в клеточной цитоплазме различные органеллы – и данные по органеллам оказались в хорошем соответствии с результатами экспериментов с частицами.

Если попробовать сравнить, на что похожа клеточная цитоплазма для разных органелл, то для ядра это будет примерно как плавать в бассейне с медом – ядро достаточно велико и достаточно медленно движется в клетке, чтобы не обращать внимания на цитоскелет.

Для митохондрий цитоплазма будет уже чем-то вроде зубной пасты, поскольку они меньше и движутся быстрее. Что до еще более мелких и подвижных лизосом, то они вообще чувствуют себя пробирающимися сквозь желе (если бы могли чувствовать). Соответственно энергетические затраты, которые требуются на передвижение митохондрии или лизосомы, нужно оценивать с поправкой на их разное взаимоотношение с цитоплазмой.

Все это важно не только в смысле фундаментальных знаний о живой клетке. Если мы создаем лекарство, которое должно проникнуть сквозь клеточную мембрану и подействовать на митохондрии, или рибосомы, или ядро, то эффективность такого лекарства, будь то отдельная молекула или сложная наночастица, будут зависеть от его подвижности, от того, насколько быстро оно найдет свою цель, прежде чем клетка от него захочет избавиться.