Биологи воссоздали клеточные органеллы движения – реснички и жгутики. Искусственная система проще, а работает так же. Теперь ученые подумают над подвижными наноматериалами и системами, способными самостоятельно транспортировать жидкости.

Рукастые клетки

Жгутики и реснички – это клеточные «конечности», которыми простейшие организмы «гребут» в жидкой среде. Бактерии-жгутиконосцы плавают, кувыркаются и поворачивают в нужном им направлении. У сперматозоидов тоже есть жгутик. Мужским половым клеткам это плавсредство необходимо для перемещения в слизи женской половой системы.

Впрочем, «конечности» есть не только у самостоятельных клеток (сперматозоидов) и микроорганизмов. У млекопитающих реснички есть в дыхательных путях, семявыносящих канальцах и желудочках мозга. Здесь «рукастые» клетки создают волну, перемещая жидкость в нужном направлении, чтобы человек, например, выдохнул пыль и микробы, осевшие в легких.

Реснички и жгутики работают синхронно. И даже случайно оказавшись рядом на пути к яйцеклетке, сперматозоиды дружно виляют хвостами, затевая синхронное плавание. Но клеточные конечности находятся не в одной фазе биения. Они сокращаются последовательно, подобно тому как ведут себя футбольные болельщики на трибунах стадиона: биение небольшой группы ресничек (жгутиков) подхватывают все остальные. Одни активируются, другие в этот момент успокаиваются – идет волна.

«Метахронное (неодновременное) биение ресничек необходимо простейшим для передвижения. В многоклеточном организме такое движение ресничек обеспечивает и очищение дыхательной системы, и симметричное развитие эмбриона, – пишут авторы нового исследования в статье, опубликованной в Science. – Из-за дефектов ресничек – нарушения синхронности и последовательности биения – развиваются серьезные патологии эмбрионального развития и заболевания внутренних органов».

Скелет клеточных конечностей

Реснички и жгутики отличаются размерами (жгутики много крупнее и сильнее ресничек), структура же этих органелл очень похожа. Скелет ресничек и жгутиков (осевая нить) – аксонема – состоит из комплекса микротрубочек (полых цилиндров), которые связаны между собой белковыми цепочками – динеиновыми ручками.

«Динеин конвертирует энергию АТФ в линейное передвижение (скольжение) микротрубочек друг относительно друга, за счет чего и происходит биение жгутика или реснички, – объясняют авторы нового исследования. – Тысячи динеинов синхронизируются для того, чтобы обеспечить работу одной аксонемы, биение одной органеллы (жгутика или реснички). Механизм появления и функционирования самоподдерживающихся сокращающихся комплексов остается неизвестным».

Исследователи из Университета Брандейса (Brandeis University) под руководством Тимоти Санчеза (Timothy Sanchez) описали и испытали минимальную систему микротрубочек, способных самостоятельно сокращаться и поддерживать неодновременное синхронное биение.

Для создания неживых ресничек биологи использовали микротрубочки и кинезин – двигательный белок, который тоже высвобождает энергию АТФ. С помощью стрептавидина и биотина экспериментаторы «склеили» этот белок с микротрубочками:

«Кинезин заполнил пространство между микротрубочками, связал их, – пишут исследователи. – Мы добавили третий компонент – полиэтиленгликоль (ПЭТ). Он обеспечил комплектацию пучков микротрубочек,

способствовал проникновению кинезина в пространство между соседними микротрубочками».