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 [4].

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 [5].

Литература

1. Элементы: Разгадан механизм движения «шагающего белка»;
2. Элементы: Работу регуляторного белка впервые пронаблюдали под микроскопом;
3. Cédric Bouzigues, Maxime Dahan. (2007). Transient Directed Motions of GABAA Receptors in Growth Cones Detected by a Speed Correlation Index. Biophysical Journal. 92, 654-660;
4. I. Ghosh, M. J. Wirth. (2007). Parsing the Motion of Single Molecules: A Novel Algorithm for Deconvoluting the Dynamics of Individual Receptors at the Cell Surface. Science's STKE. 2007, pe28-pe28;
5. Special Issue. Single Molecules. (2007). Science. 316.