Направленное движение или бесцельное блуждание?

  • 342
  • 0,9
  • 3
  • 0
Добавить в избранное
Как отличить случайное перемещение молекулы, вызванное броуновским движением (показано синим), от направленного, обусловленного функциональной необходимостью (показано красным)?
Суметь проследить за движением отдельно взятой молекулы внутри живой клетки — значит приблизиться к пониманию пространственной организации сложнейших биохимических и биофизических процессов, составляющих основу жизни. Возможности оптических методов уже достаточны для того, чтобы увидеть перемещение отдельно взятой молекулы, но как понять, обусловлено ли оно функциональной необходимостью или же просто тепловым движением? Французские учёные предлагают статистический алгоритм анализа «траекторий» движения молекул, отличающий направленное движение от бесцельного.

Обычно живая клетка предстаёт в нашем воображении чем-то необычайно сложно и продуманно устроенным, но всё же статичным, неподвижным. Однако самую суть жизни составляют динамические процессы: где, когда и как происходят химические реакции? Куда, когда и каким образом перемещаются биологические молекулы, и с какими другими молекулами они взаимодействуют? Как регулируется транспорт белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других метаболитов в невероятно сложном коктейле, которым является клетка? Основная масса биологических методик, позволяющих увидеть клетку целиком — таких как традиционная оптическая или электронная микроскопия — чаще всего работают на фиксированных образцах клеток, в которых все динамические процессы усреднены в статичную картину.

Более современные подходы (флуоресцентная или конфокальная микроскопия) позволяют следить за единичными молекулами, специальным образом модифицированными флуоресцентными красителями или белками (такими как зелёный флуоресцентный белок). Совсем недавно с помощью методики флуоресцентного мечения учёные пронаблюдали, как молекула миозина V «шагает» по актиновой нити [1] и как транскрипционный фактор «ищет» свой сайт на хромосоме [2].

В качестве метки также используют специальные полупроводниковые нанокристаллы (называемые «квантовыми точками»), не «отбеливающиеся» со временем подобно органическим красителям и обладающие уникальными спектроскопическими свойствами, что позволяет селективно отслеживать движение отдельных молекул на длительных интервалах времени (вплоть до минут).

Однако просто выявить в клеточном «коктейле» отдельную молекулу недостаточно: нужно еще с достаточным временным и пространственным разрешением проследить за её перемещением и суметь отличить, является ли это движение направленным, обусловленным функцией молекулы в клетке, или оно вызвано просто броуновским движением.

Как известно, броуновское движение, или простая диффузия, характеризуются тем, что среднеквадратичное смещение (СКС) частицы от своего начального положения прямо пропорционально времени: СКС=4Dt, где D — коэффициент диффузии. В то же время, если движение частицы не случайно и имеет определённое направление, зависимость становится квадратичной: СКС=v2t2, где v — скорость движения.

Движение молекулы белка как частицы весьма малого размера, несомненно, подвержено броуновскому эффекту. Как на его фоне отличить, присутствует ли в этом движении выделенное направление? Французские учёные Буазигье и Даан (Bouzigues и Dahan), исследовавшие перемещение рецепторов γ‑аминомасляной кислоты (ГАМК) в мембранах нервных клеток [3], предложили методику статистического анализа траекторий движения молекул, позволяющую очень чётко отделить простое броуновское «блуждание» молекулы от направленного движения.

Методика была отработана на компьютерной модели броуновского движения точки, для которой в определённый момент «включали» силу, создающую направленное перемещение, а потом «выключали» её (см. картинку). Введённый исследователями «индекс корреляции скоростей», основанный на анализе среднеквадратичного смещения точки в различных участках траектории, оказался очень мощным инструментом для анализа: даже те периоды исключительно теплового перемещения, во время которых точка перемещалась достаточно далеко и на первый взгляд направленно, не смогли «обмануть» алгоритм.

Изучение движения ГАМК-рецепторов выявило, что периодически хаотическое движение сменяется направленными перемещениями, и это может быть связано с кратковременными контактами молекулы белка с растущими элементами цитоскелета, армирующего мембрану нейрона. Предложенный алгоритм анализа траекторий будет весьма полезен для расширяющейся области биологических исследований, посвящённых изучению движения единичных молекул [4].

По материалам Ghosh & Wirth, Science Signal Transduction Knowledge Environment [5].

Литература

  1. Элементы: Разгадан механизм движения «шагающего белка»;
  2. Элементы: Работу регуляторного белка впервые пронаблюдали под микроскопом;
  3. Bouzigues, C., Dahan, M. (2007). Transient directed motions of GABA(A) receptors in growth cones detected by a speed correlation index. Biophys. J. 92, 654–660 (в интернете);
  4. Science Magazine Special Online Collection: Single Molecules;
  5. Ghosh, I, Wirth, M.J. (2007). Parsing the motion of single molecules: A novel algorithm for deconvoluting the dynamics of individual receptors at the cell surface. Sci. STKE 2007, pe28 (в интернете)..

Комментарии