Ученые пронаблюдали, как транспортная молекула кинезин, которая ответственна за перемещение молекул в клетке, передвигается по микротрубочкам – «дорожным путям» клетки. Это удалось благодаря тому, что разрабатываемый учеными молекулярный инструмент стал выполнять не те функции, которые от него ожидались. Вместо флуоресценции в ответ на клеточный окислительный стресс молекула-сенсор стала кристаллизоваться вслед за движением кинезина. Статья опубликована в Nature Communications.
Микротрубочки – полимерные структуры, которые играют роль дорожных путей в клетке. Двигательные молекулы (например, кинезины) связываются с микротрубочками и «шагают» по ним, стоит только грузу присоединиться к молекуле кинезина. В качестве источника энергии эти транспортные белки используют энергию разложения молекулы АТФ.
Обычно кинезины «ходят» из центра клетки к периферии, но также могут переносить грузы от аппарата Гольджи к эндоплазматическому ретикулу и обратно. При этом аппарат Гольджи считается одной из органелл, с которых начинается образование микротрубочек, наряду с центросомами.
В целом ученых уже есть способы подглядеть за моторными белками в клетках. Для этого, например, можно покрасить двигательные молекулы антителами к ним, или прикрепить к ним же флуоресцентные метки. Однако существующие методы позволяют помечать весь кинезин в клетке, независимо от того, активны ли молекулы прямо сейчас или нет. Учитывая, что одновременно в клетке активны только 30 процентов молекул кинезина, достаточно сложно изучать движение этих молекул в клетке имеющимися инструментами.
Малые молекулы, которые могут издавать видимый сигнал (свечение), также используют для изучения различных процессов в клетках. Обычно такие системы показывают, где протекает реакция с участием того или иного заданного учеными фермента. Однако подобных красок для кинезина, который и сам является ферментом, до сих пор описано не было.
Не стремились получить такую краску и ученые Женевского университета под руководством Николаса Винссингера (Nicolas Winssinger): исследователи хотели создать молекулу-сенсор, которая бы отражала окислительный стресс в клетках. Однако полученная молекула не реагировала на активные формы кислорода, зато образовывала протяженные кристаллы прямо внутри клеток. Заметив, что кристаллы подозрительно напоминают по форме клеточный скелет, авторы работы продолжили исследования. Эксперименты подтвердили их предположения: часть окрашенных микротрубочек находилась там же, где и кристаллы, которые расходились лучами от аппарата Гольджи.
Сверху: реакция, в результате которой краска кристаллизуется. Снизу: кристаллы, которые обнаружили в клеткых ученые (слева) и их модель (справа).
Далее ученые выяснили, что самих по себе микротрубочек в пробирке недостаточно для того, чтобы их краска кристаллизовалась. Получалось, что изменения в ней вызывала какая-то ферментная активность, тесно связанная с микротрубочками – например, действие двигательных белков, расщепляющих АТФ.
Ученые продолжили работу и выяснили, что скорость образования кристаллов в клетке и их размер зависят от активности кинезина-1 в клетке. В тех культурах, где клетки производили мутантный (неспособный шагать по микротрубочкам) двигательный белок, количество кристаллов уменьшилось на 87 процентов, и остаточная активность, скорее всего, связана с небольшим количеством обычного кинезина в клетке. Когда ученые подавляли выработку кинезина в клетках, кристаллы исчезали.
Однако несмотря на то, что кинезины во время движения полагаются на энергию расщепления АТФ, в экспериментах вне клетки АТФ кинезину не понадобилась: краска все равно кристаллизовалась. Авторы работы сделали вывод, что кинезин может использовать разработанную ими флуорогенную краску как альтернативный субстрат, и в результате реакции и образуются флуоресцирующие кристаллы. Исследователи считают, что случайно полученный ими инструмент может помочь и дальше наблюдать за активностью двигательного белка в живых клетках.
Движение кинезинов по микротрубочкам интересует современных молекулярных биологов и химиков: механизм движения ученые уточнили не так давно. Сами же микротрубочки химики пробуют использовать в качестве молекулярных роботов, создавая из них управляемый рой, управлять которым помогает все тот же кинезин.
