Кубанский государственный технологический университет

Пересмотрен механизм диффузии молекул в бактериальных клетках

01-10-2011
Благодаря флуоресцирующим маркерам удается наблюдать перемещения отдельной молекулы мРНК внутри бактерии E. coli. Масштабная полоска вверху соответствует 1 микрону (изображение из статьи Physical Review Letters, 96, 098102)

Биологи из Принстонского университета, проследив за перемещением отдельных молекул матричной РНК внутри живой бактерии, выяснили, что процесс их диффузии вовсе не похож на обычное броуновское движение.

Все процессы в живой клетке выполняются многочисленными биологическими молекулами: нуклеиновыми кислотами, белками и т. д. Такие молекулы синтезируются в строго определенных местах клетки и затем перемещаются к «месту назначения», туда, где они должны выполнить свою специфическую функцию.

(Для знакомства с жизнью клетки см. онлайн-книгу Наглядная биохимия.)

В высокоорганизованных эукариотических клетках (клетках, обладающих ядром) имеются разнообразные структуры, оптимизирующие этот процесс перемещения, — внутриклеточные мембраны и цитоскелет, служащий не только механической опорой клетке, но и направляющий внутриклеточные «транспортные потоки». В безъядерных (прокариотических) клетках ничего подобного нет, поэтому до сих пор считалось, что в них перенос макромолекул происходит за счет самой обыкновенной диффузии.

При обычной диффузии молекулы, сконструированные в каком-то месте клетки и «выпущенные на свободу», разбредаются в согласии с простой формулой: удаление от «места рождения», в среднем, пропорционально квадратному корню из времени. Но известно, что в сильно неоднородных средах процесс диффузии может оказаться столь затрудненным, что молекулы будут расходиться по более медленному закону. Поэтому нелишне проверить непосредственно в эксперименте, подтверждается ли обычный закон диффузии при путешествии макромолекул в клеточной цитоплазме.

Именно это проделали сотрудники биологического факультета Принстонского университета Идо Голдинг (Ido Golding) и Эдвард Кокс (Edward Cox). Результаты их наблюдений были недавно опубликованы в статье Physical Review Letters, 96, 098102 (10 March 2006).

Авторы разработали оригинальную методику слежения за отдельными молекулами матричной РНК (мРНК) в бактерии Escherichia coli. Одновременно с транскрипцией мРНК они с помощью специальных добавок в растущей клеточной культуре включали синтез специфического флуоресцирующего белка, который связывался с молекулами мРНК по мере их производства. При малых скоростях транскрипции им удавалось получить буквально одну-единственную мРНК и «посадить» на нее несколько флуоресцентных белков. В результате этого мРНК становилась менее активной, а значит, более долгоживущей, и путешествовала по клетке по крайней мере в течение часа. Белок же, ярко светившийся при облучении ультрафиолетом, позволял следить за перемещениями отдельных молекул в обычный микроскоп(1).

Результаты наблюдений однозначно доказали, что диффузия мРНК в бактериальной цитоплазме происходит по более медленному закону, чем обычная диффузия. Выяснилось, что среднее удаление молекул от точки их рождения зависит от времени не как квадратный, а скорее как кубический корень (а точнее, по закону t0,35). Эта зависимость сохранялась на протяжении всего времени наблюдения на молекулой: от одной секунды до получаса.

Для того чтобы доказать, что полученная зависимость — вовсе не игра случая, авторы повторили опыты с колониями бактерий, выращенных под воздействием антибиотиков, а также с бактериями-мутантами, у которых было нарушено производство и без того немногочисленных зачатков цитоскелета. Кроме этого, варьировалась и длина отслеживаемой мРНК. Во всех этих экспериментах молекулы разбредались по цитоплазме всё по тому же закону t0,35.

Каковы причины такого поведения молекул, пока доподлинно не известно. Из экспериментов, однако, непосредственно следует, что элементы цитоскелета у бактерий играют незначительную роль в диффузии. По-видимому, всё дело в чересчур концентрированном составе цитоплазмы. Например, один из возможных механизмов замедленной диффузии таков: в процессе диффузии молекулы постоянно натыкаются на менее подвижные препятствия, которые их ненадолго привязывают к себе и затем вновь выпускают. Чтобы выяснить, так это или нет, потребуются дополнительные эксперименты.

Авторы подчеркивают, что интерес к точному закону диффузии молекул в клетке далеко не праздный. Более медленный закон диффузии означает не только то, что молекулам требуется существенно больше времени, чем считалось ранее, чтобы достичь цели. Достигнув ее, молекулы, в силу того же самого закона, будут дольше находиться рядом с целью, а значит, имеют бoльшую вероятность выполнить «свое предназначение». Обе эти особенности важны для правильного понимания «физиологии бактерии». Насколько серьезную переоценку нынешнего понимания молекулярных процессов в бактерии повлекут за собой эти наблюдения, покажет время.

Игорь Иванов

(1) Изучение диффузии было, конечно, не самоцелью авторов этой статьи. Методику наблюдения за отдельными мРНК они разработали для наблюдения в реальном времени за генетической активностью бактерии. Эти исследования привели, в частности, к открытию взрывообразного характера транскрипции мРНК в E. Coli; см. подробности в статье I. Golding et al., Cell 123, 1025 (2005).

‹‹