От шагающих белков к ДНК-нанороботам.

Еще в школе мы изучаем свойства живого: оно воспроизводится, оно поглощает и выделяет, оно растет. Еще одно свойство, которое часто вспоминают дети, — это движение. И если на уровне организмов движение вовсе не обязательно — не двигаются же растения и грибы, — то на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях транспортные процессы существуют во всех живых организмах. 

В нашей крови белки-гемоглобины переносят кислород, а белки-альбумины носят на себе низкомолекулярные вещества — от выработанных в других органах гормонов до введенных в кровь лекарств. Клеточный транспорт есть во всех клетках, а в некоторых — например, в нейронных — он играет важнейшую роль. Какие молекулы его обеспечивают и чем они интересны? Разберемся!

Клеточный уровень — цитоскелет

Клетка состоит из огромного количества разных компартментов — заводов для синтеза различных веществ, кладовок для их хранения, мест, где эти вещества модифицируются и используются по назначению. Воедино все эти отдельные части клетки, или органеллы, связывает между собой цитоскелет.

Цитоскелет — это многофункциональная структура. Он состоит из трех компонентов — микрофиламентов, микротрубочек и промежуточных волокон. Рассмотрим каждый компонент подробнее.

Микрофиламенты представляют собой длинные перекрученные нити, сложенные из белка актина — одного из основных белков мышц: вместе с белком миозином он отвечает за мышечные сокращения. В цитоскелетных микрофиламентах актин в основном работает соло, и хотя иногда микрофиламенты включают другие белки, роль их вспомогательная. У микрофиламента есть полярность, это означает, что «достройка» нити может идти только с одного конца — его называют плюс-концом. Такие микрофиламенты могут участвовать и в движении клетки, и в некоторых других процессах, но в цитоскелете они выполняют роль стального каркаса, поддерживающего архитектуру клетки.

Микротрубочки построены из димеров — двух субъединиц глобулярного белка тубулина. Такие димеры сначала образуют линейные цепи — протофиламенты, из которых формируются кольца. Эти кольца и складываются в итоге в длинную полую трубочку. Как и микрофиламенты, микротрубочки полярны: минус-конец их присоединен к центру организации микротрубочек, а на плюс-конце может идти синтез. Именно по микротрубочкам, используя их как рельсы, «катятся» моторные белки с грузом. Помимо этого, микротрубочки участвуют в движении ресничек, например у сперматозоидов или эпителия кишечника, и в делении клеток — именно из микротрубочек состоят центриоли, направляющие, помогающие хромосомам разойтись по разным полюсам клетки.

Последний компонент цитоскелета — это промежуточные филаменты, которые, в отличие от микрофиламентов и микротрубочек, не встречаются в цитоплазме в свободном виде. Промежуточные волокна выглядят как туго скрученные косы: как если бы из спирали из двух нитей сделали новую спираль с другими двумя нитями, потом еще и еще. Из-за своей структуры они очень хорошо растягиваются — во много раз по сравнению с исходными размерами. Нити, уложенные в основу первичного димера филамента, укладываются друг напротив друга, поэтому, в отличие от микрофиламентов и микротрубочек, промежуточные филаменты не полярны. Такие волокна гораздо реже встречаются у живых существ — их, например, нет у растений, грибов и даже у некоторых животных. В основном промежуточные филаменты можно найти вокруг ядра, где они формируют плотную шапку. Считается, что они участвуют в механической защите клетки.

Флуоресцентная микроскопия цитоскелета. Красным показан актин, синим — микротрубочки

Молекулярный уровень — моторные машины

Но сам по себе цитоскелет нельзя назвать полноценной транспортной системой — это скорее дорожная карта, сеть маршрутов, по которой карго переносится из одной точки в другую. Для того чтобы вся система заработала, нужны переносчики. Про них и поговорим.

Несколько лет назад в интернете появилось популярное видео, в котором белок с «ножками» перетаскивает на своих «плечах» большую шарообразную везикулу.

Это кинезин — один из моторных белков, способных передвигаться, используя для этого энергию распадающейся молекулы АТФ. Миозин, перемещающийся по актину в мышцах, тоже моторный белок, но в контексте транспорта нас больше всего интересуют транспортные белки — динеин и кинезин, шагающие по микротрубочкам.

Кинезины, обширное семейство белков, выглядят как димер, каждая половина которого состоит из тяжелой и легкой цепи. Устройство кинезина несколько контринтуитивно: глобулярная головка, сформированная из тяжелой цепи, шагает по микротрубочке, а сверху находятся закрученные «ноги», на которых сидят легкие цепи — хвосты. Эти-то хвосты и тащат карго. Маршрут кинезинов постоянен — от минус-концов к плюс-концам, чаще всего от центра к краям клетки, но иногда и от одних органелл к другим.

Механизм движения кинезинов пока описан не полностью, но известно, что белок шагает по тубулиновой трубке, прикрепляясь к специфическим центрам связывания, и его «ноги» двигаются последовательно: одна из «ног», прикрепленная к участку связывания, отвязывается, «тело» кинезина проворачивается на 180 градусов, и другая «нога», используя АТФ как источник энергии, прикрепляется к следующему участку. Свободная тут же ловит следующий участок, а вторая «нога» высвобождается. Шаг происходит почти мгновенно — от освобождения предыдущего участка до связывания следующего проходит около 10 миллисекунд, то есть за 1 секунду белок делает около 100 шагов — и проходит огромное расстояние в 800 нанометров!

Динеины несколько отличаются от кинезинов по строению и функционалу. Во-первых, динеины ходят в обратную сторону: от плюс-концов к минус-концам (хотя в литературе описаны и случаи обратного хода). Во-вторых, динеины могут участвовать в правильном расположении отдельных органелл в толще цитоплазмы — например, они могут позиционировать аппарат Гольджи («склад» клетки, в котором формируются везикулы с веществами). Кроме того, помимо стандартного транспорта везикул, динеины могут переносить хромосомы и даже участки микротрубочек.

В-третьих, динеины состоят из одной тяжелой белковой цепи и нескольких маленьких вспомогательных белков — это обусловливает отличный от кинезинового механизм движения. Тяжелая цепь динеина формирует две «головки», на которых находится центр связывания с микротрубочками и «хвост». После расщепления АТФ «головка» динеина не шагает по поверхности микротрубочки, а скользит, что позволяет ему развивать бо́льшую скорость по сравнению с кинезином — от 800 нанометров до 3,2 микрометра!

Сравнение кинезина и динеина.

А что, если…

А что, если использовать транспортные системы для изобретения технологий медицины будущего? Возможно ли это? Оказывается, да, и первенство тут захватили нанороботы! И хотя для основ их работы выбрали ДНК, механизм движения, которым пользуются нанороботы, похож на механизм движения моторных белков — движение по специфически подобранной поверхности и подтягивание по ней при помощи узнавания.

В 2008 году группа датчан из Университета Орхуса под руководством доктора Йоргена Кьемса создала молекулярную машину под названием DNA box.

Эта маленькая машинка основана на ДНК и работает на технике ДНК-оригами: подбирая определенные фрагменты ДНК, ученые собирают для машинки «поле», по которому та передвигается. Еще одна группа усовершенствовала ДНК-бота, и он смог пройти путь почти в 100 нанометров — гигантский по сравнению с его собственными размерами! Выглядит робот как небольшая белковая молекула с четырьмя отростками, к которым присоединены специфические ДНК-зимы — молекулы ДНК, способные взаимодействовать с отрезками ДНК. Этими отрезками ученые выложили для робота путь — его «ноги» узнают участки пути и подтягиваются по нему всё дальше и дальше. Работают машинки на топливе из ДНК, и ученые смогли научиться изменять маршрут, просто добавляя ту или иную топливную ДНК.

Такие нанороботы тоже могут перетаскивать грузы, хотя арсенал их функций потенциально огромен — от более быстрой починки сломанных костей до очистки сосудов от тромбов.

Молекулярные машины, двигающиеся или выполняющие какую-то работу, известны давно, и в последнее время к ним приковано повышенное внимание. Нет ничего удивительного в том, что чем больше мы узнаем об их строении, тем больше идей для усовершенствования техники они подсказывают, — природа давно всё ёпридумала за нас. Нам остается лишь наблюдать и учиться.

Автор: knife.media

Заглавное изображение: Деление клеток. Видны зеленые микротрубочки, растягивающие по полюсам клетки — фиолетовые хромосомы

Источник: knife.media

PS: На пути к нанитам- синтетическим организмам