Датацентр в каждом: капли жидкости в нашем теле действуют как клеточные компьютеры

Ученые-генетики попытались прояснить механизмы, связывающие разделение фаз внутри человеческих клеток, образование конденсата и вычисления на основе химических сигналов. Ведь у природных конденсатов так много функций, что даже научные эксперименты с трудом могут их обозначить.

Исследователи из Медицинской школы Гроссмана при Нью-Йоркском университете и Немецкого центра нейродегенеративных заболеваний использовали подходы синтетической биологии для создания простых жидких конденсатов. Они сформировали искусственную систему, которая показала, как образование конденсатов меняет действие ферментов, называемых киназами, на молекулярном уровне, что является примером химических вычислений. 

Киназы — это белковые переключатели, влияющие на клеточные процессы путем фосфорилирования — переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату. Фосфорилирование — своего рода уловка, которую клетки используют для координации информации.

В исследовании команда использовала две системы капельного конденсата: одну полностью искусственную, а другую вдохновленную реальной биологической системой, существующей в клетках человека. Ученые наблюдали, как информация передается, когда киназы находятся в конденсате и вне его.

Команда обнаружила увеличение скорости фосфорилирования в некоторых синтетических конденсатах, что частично можно объяснить увеличением концентрации киназы и ее субстратов. Однако выяснилось, что не только концентрация киназы влияет на фосфорилирование: оно может реагировать на молекулярную скученность, формируя таким образом биофизический сенсор.

Кроме того, в гибких конденсатах скопление молекул увеличивает скорость фосфорилирования, в то время как в жестких конденсатах происходит обратное. Ученые предлагают несколько гипотез для объяснения этих наблюдений, но их трудно проверить из-за технических ограничений микроскопии.

Одно из предположений заключается в том, что образование искусственных конденсатов при фазовом разделении жидкости в клетках создает более «липкие» области, где и активируются новые механизмы передачи сигналов.

Наконец, исследователи изучили естественный конденсат, связанный с болезнью Альцгеймера. Как известно, при этой болезни тау-белки приобретают избыточное количество фосфатов в определенных остатках, что заставляет их образовывать агрегированные клубки, часто наблюдающиеся у пациентов с болезнью Альцгеймера. 

Исследование показало, что в конденсированных каплях фосфорилирование тау-белков, связанных с заболеванием, происходило в три раза быстрее. Это наблюдение показывает путь к потенциально иному взгляду на механизм возникновения болезни Альцгеймера.

Значимость исследования для здоровья человека очевидна. В частности, в нем раскрывается связь между внутриклеточным гиперфосфорилированием и нейрофибриллярными клубками, которые, как считается, ответственны за болезнь Альцгеймера. Также исследователи надеются, что результаты их работы помогут создать и другие клеточные “компьютеры”, реагирующие на физические силы. Например, речь идет о внедрении в иммунные клетки искусственных процессоров, которые будут запускать атаку раковых клеток, когда те начнут проникать в ткани, уплотненные растущими опухолями.