Исследование опубликовано в сентябре. 22 in Nature подробно описывает, как устоявшаяся физическая теория, регулирующая образование пузырьков и капель, привела к новому пониманию принципов организации содержимого живых клеток. Эта работа знаменует собой сейсмический сдвиг в способности исследователей как понимать, так и контролировать сложные мягкие материалы в наших клетках.
«Этот подход распространен в материаловедении, но мы адаптировали его, чтобы сделать что-то беспрецедентное в клетках», – сказал главный исследователь Клиффорд Брэнгвинн, июнь К. Wu ’92, профессор технических наук и директор Принстонской биоинженерной инициативы.
Текущая работа следует за открытием Брангвинном более десяти лет назад, что клеточные белки организуются в жидкие структуры внутри клетки. Это понимание породило новую область исследований, в которой изучается, как части клеток образуются так же, как капли масла, сливающиеся в воде. С тех пор ученые ломают голову над точными деталями того, как собираются эти структуры.
Но сложно измерить мягкую динамику отдельных молекул внутри клетки, где таинственные, перекрывающиеся процессы хаотически крутятся, когда мельчайшие структуры формируются и растворяются тысячу раз в секунду.
Постдокторант Сюнсуке Симобаяси изучал физику мягкой материи в Киотском университете и задавался вопросом, может ли его опыт работы с органическими соединениями, называемыми липидами, пролить свет на что-нибудь интересное в этой проблеме. Если белковые молекулы конденсируются вне своего окружения, как масло отделяется от воды, возможно, математика, описывающая первые шаги этого процесса, называемого зародышеобразованием, окажется полезной и для белков.
Симобаяси обратился к классической теории зародышеобразования, столпу материаловедения. Его уравнения привели к одним из самых глубоких технологических преобразований 20-го века, от моделей климата, которые впервые выявили глобальное потепление, до удобрений, которые помогли миллиардам людей вырваться из голода.
Он также остро осознавал важное различие: эти уравнения описывают простые неодушевленные системы, но внутри клетки царит хаос. "Это гораздо более сложная материальная среда для биомолекул", – сказал Симобаяши. Но он пошел вперед, сотрудничая с теоретиками Пьером Ронсере и Микко Хаатая, профессором машиностроения и аэрокосмической техники.
Исследователи разделили теорию до двух наиболее важных параметров, адаптировав ее, чтобы попытаться понять, как этот процесс может работать в клетках. Затем, чтобы проверить теорию, Шимобаяши обратился к усовершенствованному протеиновому инструменту, разработанному в лаборатории Брангвинна в 2018 году, который предоставил идеальную упрощенную систему, имитирующую естественный процесс, протекающий в клетках.
Сложив их вместе, результаты стали чем-то вроде шока.
Когда Шимобаяси попытался вызвать мгновенное посевание капель, система вышла из строя.
Но когда он высеивал капли медленнее, они образовывались в точно определенных местах, что идеально соответствовало его адаптированной теории. Он предсказал, как, где и когда образуются капельки белка, с тем, что Брэнгвинн назвал «замечательной точностью»."
Затем команда вернулась к сложной сложности нативных клеточных структур. Когда они учли все процессы, влияющие на концентрацию белка, они обнаружили, что теория работает так же хорошо. Они количественно оценили сборку белков от молекулы к молекуле в сложные жидкие структуры, которые регулируют самые основные жизненные процессы. По словам Симобаяши, эти структуры не только выглядят и действуют как масло в воде, они также образуют капли в тех же основных моделях зародышеобразования, группируясь вокруг мельчайших изменений в их среде со скоростью, которую можно предсказать с той же количественной точностью, что и другие виды материалов.
По словам Брэнгвинна, с такой предсказательной силой приходит ускоренный инженерный потенциал. Он считает, что количественная оценка биомолекулярных процессов и разработка прогнозных моделей в форме физики приведет к созданию мира, в котором мы больше не будем пассивно наблюдать, как наши близкие умирают от таких болезней, как болезнь Альцгеймера.
«Сначала мы должны понять, как это работает, используя количественные математические основы, которые лежат в основе чудес инженерной мысли общества.
И тогда мы сможем предпринять следующие шаги, чтобы управлять биологическими системами с большей степенью контроля ", – сказал Брэнгвинн. "Нам нужно иметь возможность поворачивать ручки."
Помимо Брангвинна и Симобаяши, авторами исследования являются Пьер Ронсере, ранее занимавший постдокторскую должность в Принстоне; Дэвид В. Сандерс, научный сотрудник лаборатории Брангвинна; и Микко Хаатая, профессор машиностроения и аэрокосмической техники.
Работа была частично поддержана Медицинским институтом Говарда Хьюза, Национальным институтом здоровья и Принстонским центром сложных материалов.