Клетки несут пальцеподобные выступы, которые используются для восприятия окружающей среды. Они могут определять химическую среду, также «чувствовать» физическое окружение, используя данные сверхчувствительные сенсорные системы. Новое исследование, проведённое сотрудниками института Нильса Бора, показывает, как пальцеподобные структуры, которые называются филоподиями, могут расширяться, сжиматься и изгибаться при динамичном движении.

В ходе протекания многих биологических процессов взаимодействие клеток и их коммуникация с окружающей средой являются принципиально важным фактором для их функционирования. Для восприятия окружающей среды клетки используют пальцеподобные структуры, которые напоминают трубкообразные выступы на клеточной мембране. Данные выступы, как говорилось ранее, называются филоподиями.

Они могут участвовать в передаче в клетку различной информации о химическом и физическом состоянии окружающей среды. Например,

нормальная работа клеточных филоподий требуется для корректного развития эмбриона, роста нейронов, а также в тех случаях, когда клетки (наподобие макрофагов) должны мигрировать к патогенным бактериям, чтобы устранить их.

«Филоподии – в высокой степени подвижные структуры. Они могут сжиматься, расширяться и активно изгибаться во всех направлениях. Но что позволяет им двигаться, как они контролируют свои движения, и какие силы они используют? Это мы и хотели узнать» – объясняет Пол Мартин Бендикс (Poul Martin Bendix, сотрудник института Нильса Бора Копенгагенского университета).

Совместно со своими коллегами он изучил физические свойства филоподий, использовав оптическую ловушку. Она представляет собой микроскоп, с помощью которого можно удерживать отдельно взятые клетки и оказывать на них различное влияние, используя специальный лазер в ходе наблюдения за объектом. Для получения более чёткой картины движения объекта авторы проведённого исследования поместили маленький пластиковый шарик на верхушку филоподии и путём измерения усилия они смогли определить динамическую активность отдельной филоподии. В дополнение к измерениям усилия учёные с помощью флуоресцирующих меток маркировали актин.

Данный белок формирует филоподии и отвечает за их двигательную активность. Наличие в актине флуоресцирующих меток помогло отследить движение филоподий под микроскопом.

Ранее неизвестный механизм

«В эксперименте мы фиксировали шарик, находящийся на верхушке филоподии и тянули его с помощью высокочувствительного силового микроскопа до 20 минут. Мы смогли измерить, что сила обратной тяги клеток составляла 1–100 пиконьютонов – эквивалент силы тяготения на одном эритроците. Более того исследование выявило механизм, лежащий в основе движения филоподий. Мы видели, что актин внутри филоподий отчётливо скручивался и затем оттягивался, формировались спиральные петли, как если бы вы скручивали эластичную нить, крепко удерживая один её конец и оттягивая другой» – уточняет Пол Мартин Бендикс.

Данные спиральные петли были зафиксированы с помощью флуоресцентной микроскопии в процессе изучения их скручивания. Ротационный механизм, который формировал актиновые спиральные структуры, обеспечивает филоподии возможностью собирать информацию об условиях окружающей среды путём осуществления разнообразных движений.

По словам Пола Мартина Бендикса,

полученные результаты демонстрируют ранее неизвестный механизм, в рамках которого вращение филоподий позволяет клетке взаимодействовать с близлежащими клетками. Он уточняет, что спиралеобразные структуры широко распространены в природе, например ДНК, волосоподобные жгутики и реснички, которые имеют форму вращающейся спирали, позволяющие передвигаться сперматозоидам и некоторым бактериям.

Филоподии спиралеобразной формы ранее предсказывались теоретически. Но данные предсказания основывались на различных механизмах образования спиральных структур. Спиралеобразные петли могли бы быть доказаны теоретически путём моделирования вращающейся актиновой структуры внутри мембранной трубочки.

«Полученные нами результаты показывают, что эксперименты в совокупности с теоретическими изысканиями хорошо работают при изучении биологических механизмов» – говорит Пол Мартин Бендикс.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на страницах журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.