Xianrui Cheng и James Ferrell случайно столкнулись с феноменом самоорганизации измельченных яйцеклеток лягушек. Они измельчали в центрифуге яйцеклетки африканской лягушки xenopus laevis, надеясь изучить сигнальные пути, сообщающие об апоптозе соседних клеток. Каждая яйцеклетка (икринка) лягушки имеет диаметр порядка 1 миллиметра, что делает её прекрасным источником цитоплазмы для экспериментов такого рода. После измельчения клеток, Cheng добавил сперму лягушки того же вида в гомогенную массу из яйцеклеток (перемолотых и нет), надеясь увидеть процесс распространения сигнала об апоптозе части яйцеклеток. Это было мотивировано тем известным исследователям фактом, что ядра сперматозоидов исчезают, если сталкиваются с апоптозом соседних клеток. Поэтому, сперматозоиды помещались в один из концов раствора, где не было разрушенных яйцеклеток и ученые хотели зафиксировать момент исчезновения ядер сперматозоидов, что означало бы, что сигнал об апоптозе до них как-то дошел с другого конца смеси. Однако, вместо того, чтобы просто умереть (что может быть проще), ядра сперматозоидов решили начать реорганизацию окружающей их гомогенной цитоплазматической массы. Они перемещались и становились некоторыми подобиями центров притяжения, собиравших клеточные органоиды вокруг себя.
Ученые почесали репу и проделали ту же процедуру с измельчением яйцеклеток, но уже без добавления туда спермы. Получился схожий финал: формирование новых “клеточных” структур внутри раствора.
“I just thought, how could it be? We homogenized the living matter, the biological material. How could it return to some kind of structured organization?”
“Visually, it’s incredibly striking that you can have this kind of organization happen spontaneously after homogenizing these eggs.”
Каким бы поразительным ни было это действо, оно не было беспрецедентным. Самоорганизация в живых системах происходит на многих уровнях: соберите правильную последовательность аминокислот и длинная пептидная цепь превратится в рабочий белок, свернувшись в правильную трехмерную структуру (от которой полностью зависят его функции). Причем определить трехмерную геометрию произвольной одномерной пептидной цепочки — нетривиальная вычислительная задача, которую до сих пор не умеют нормально решать (хотя подвижки есть, смотрите AlphaFold 2). Ещё пример — самоорганизация клеток в раннем эмбрионе в различные ткани и органы.
Когда появились выделенные компартменты в растворе, то исследователи захотели узнать, что же послужило причиной их образования. С самого начала они знали, что ДНК, содержащаяся в сперме, не несет ответственности, поскольку для самоорганизации не требуется экспрессия генов. Тем не менее, они быстро иного подозреваемого: органеллу в форме звезды или астру.
Астры состоят из центросомы и микротрубочек, исходящих из неё лучами. Между моментами деления, микротрубочки формируют цитоскелет клетки, организуя её внутреннюю структуру и участвуя во внутриклеточном транспорте. В процессе деления они разводят хромосомы по дочерним клеткам, формируя веретёна деления. В яйцеклетках лягушек отсутствуют астры, но в сперматозоидах они есть. Поэтому, добавление сперматозоидов привнесло мощный инструмент для самоорганизации среды.
Микротрубочки (зеленые) в цитоплазме выстраиваются так, чтобы исходить из ядер (синие) или других центров. Эндоплазматический ретикулум (красный) также примыкает к ядрам
Однако, без астр из сперматозоидов цитоплазма может обойтись: процесс все равно продолжался и без них, хотя длился почти в два раза дольше и протекал иначе. В цитоплазме образовывались уплотнения меньшего размера, разделенные границами пустот. Внутри этих границ микротрубочки организовывались сами по себе, в конечном итоге производя компартменты, которые очень напоминали те, которые формировались под руководством центросом сперматозоидов.
“Biology is full of redundancy, because when a process is very important, you want to have multiple mechanisms supporting it,”
Микротрубочки — вообще очень важно. Например, они поляризованы подобно магнитами, т.е. имеют положительные заряды на концах, растущих наружу, и отрицательные заряды на концах, прикрепленных к центросоме, которая часто находится рядом с ядром. Они образуют то, что иногда называют внутриклеточным компасом. Моторные белки, такие как динеин, переносят груз по микротрубочкам, руководствуясь их полярностью. (Иногда этот груз включает в себя части микротрубочек, которые необходимо переместить.) Что позволяет организовать внутриклеточный транспорт в фиксированных направлениях. Также, они участвуют в создании межклеточных контактов.
То есть, предположительно, для самоорганизации необходимы как микротрубочки, так и моторные белки. Когда исследователи тормозили образование микротрубочек и подавляли работу динеина, то образование компартментов прекращалось. Ученые ожидали, что другой важный компонент внутренней структуры клетки — тонкие волокна белкового актина — также будет участвовать в самоорганизации, но актин оказался ненужным.
Стоит также учесть, что в самоорганизующихся компартментах отсутствует один важный компонент клетки: клеточная мембрана. Мембрана, окружающая клетку, отделяет её от внешней среды, создавая изолированную систему, что также определяет отношения полученной клетки с внешним миром.
Получающиеся же в эксперименты компартменты не похожи на обычные клетки, так как никаких стенок там нет. Они напоминают, в первую очередь, что-то типа синцития — так называемый уникальный тип ткани, в котором клетки неявно отделены друг от друга, а обособленные участки с ядрами связаны друг с другом цитоплазматическими мостиками. Примерами могут служить слизистые плесени, мезенхимальные ткани или зародышевые половые клетки женских эмбрионов человека — оогонии.
Один эмбрион плодовой мушки может содержать тысячи клеточных ядер, свободно расположенных в цитоплазме и без каких-либо клеточных стенок между ними. Но ведь от окружающей среды должна быть отделяющая граница, иначе не получится создать выделенную неравновесную стационарную открытую систему!
Но мы помним, что в нашем случае компартменты разделялись пустотами в итоговом растворе. Хоть там и не было мембран, но дискретизация всё равно существовала: органоиды и цитоплазма консолидировалась вокруг ядер сперматозоидов, образуя своеобразные анклавы. А данные анклавы были способны к митотическому делению. К чему они незамедлительно и приступали, пытаясь нарастить своё количество.
Возможно, полученные данные позволят иначе подойти к вопросу создания искусственных клеток. Ученые предполагают, что подобным свойством самоорганизации могут обладать и клетки других видов.
