Внутри мигрирующей клетки растворимые белки перемещаются не посредством случайного движения, а под воздействием упорядоченных потоков жидкости. Эти потоки создаются специальным безмембранным барьером, состоящим из сокращающихся молекул. Этот механизм функционирует как микроскопический насос, направляя растворённые «строительные материалы» непосредственно к растущему краю клетки.
Для поддержания постоянного роста переднего края клетки требуется непрерывное поступление новых молекул, используемых для формирования клеточного каркаса или мембраны. Крупные органеллы и везикулы перемещаются вдоль микротрубочек благодаря моторным белкам, в то время как для растворимых молекул такие «двигатели» отсутствуют».
Ранее биологи полагали, что эти белки свободно перемещаются в вязкой цитоплазме, пока не окажутся в необходимой области. Однако математические расчеты демонстрируют, что обычная диффузия происходит слишком медленно и приводит к широкому рассеиванию вещества, что не позволяет объяснить высокую скорость перемещения внутри клетки.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, используя эту технологию, исследователи смогли проследить перемещение растворенных веществ внутри клетки. Для этого они разработали метод микроскопии, получивший название FLOP (Fluorescence Leaving the Original Point), что можно перевести как «плюх». В нейробластомы и фибробласты мышиных клеток были введены фотоактивируемые белки, которые начинают излучать свет только при облучении ультрафиолетовым излучением. В ходе эксперимента биологи непрерывно воздействовали тонким лазером на определенную точку внутри клетки и фиксировали, как и с какой скоростью распространяется светящееся пятно.
Микроскопическое исследование выявило, что растворимые молекулы транспортируются к передней части клетки направленным потоком со скоростью около 3,6 микрометра в секунду. Этот показатель почти в 50 раз превышает скорость движения нитей клеточного каркаса в противоположном направлении. Исследователи дали этим потокам название «цитоплазматические пассаты», что отсылает к постоянным ветрам, дующим в тропической зоне.
Для изучения физиологических основ транспортной системы провели эксперимент, в котором подавили активность моторного белка миозина II с помощью ингибитора – блеббистатина. В результате применения блеббистатина движение остановилось, и молекулы начали медленно и равномерно распределяться в разных направлениях, подчиняясь принципам случайной диффузии.
Объемное изображение позволило определить источник этих течений. Передняя часть мигрирующей клетки (ламелль) отделена от основной части цитоплазмы плотной, изогнутой перегородкой, образованной молекулами актина и миозина. Данная структура выполняет роль безмембранного барьера, представляющего собой белковый конденсат. Молекулы миозина постоянно сокращают эту сеть, тем самым физически выталкивая цитоплазматическую жидкость в определенном направлении. Перегородка действует как полупроницаемый фильтр: обеспечивает поступление жидкости к периферии клетки, но значительно замедляет обратный транспорт белков.
Учёные подчеркнули, что данный насос демонстрирует полную неселективность. В отличие от молекулярных двигателей, которые химически взаимодействуют исключительно с определёнными молекулами, внутриклеточный поток захватывает все компоненты: мономеры актина, белки, отвечающие за клеточную адгезию, и даже искусственно добавленные неактивные флуоресцентные метки. При локальном лазерном перерезании одной из белковых структур барьера, течение было нарушено, что привело к мгновенной остановке и втягиванию переднего края клетки в этой области.
В процессе жизнедеятельности клетки применяют принципы гидродинамики для обеспечения собственного перемещения. Создание подвижных компартментов за счет сокращения белковых структур способствует перемещению цитоплазмы и концентрации ресурсов в нужных областях. Данный физиологический механизм демонстрирует, как биологические системы осуществляют целенаправленную транспортировку молекул, минуя потребность в специализированных химических реакциях и изолирующих липидных барьерах.