Ранее неизвестный механизм самоорганизации активной материи, необходимый для деления бактериальных клеток, следует девизу «умирать, чтобы выровняться»: невыровненные нити «умирают» спонтанно, образуя кольцевую структуру в центре делящейся клетки. Исследование, проведенное группой Шарича в Институте науки и технологий Австрии (ISTA), было опубликовано в Nature Physics. Работа может найти применение в разработке синтетических самовосстанавливающихся материалов.
Как материя, безжизненная по определению, самоорганизуется и делает нас живыми? Одной из отличительных черт жизни, самоорганизации, является спонтанное образование и распад биологически активной материи. Однако, в то время как молекулы постоянно попадают в жизнь и выпадают из нее, можно задаться вопросом, как они «знают», где, когда и как собираться, а когда останавливаться и распадаться.
Исследователи под руководством профессора Анжелы Шарич и аспиранта Кристиана Ванхилле Кампоса из Института науки и технологий Австрии (ISTA) рассматривают эти вопросы в контексте деления бактериальных клеток. Они разработали вычислительную модель для сборки белка FtsZ, примера активной материи.
Во время деления клетки FtsZ самоорганизуется в кольцевую структуру в центре делящейся бактериальной клетки. Было показано, что это кольцо FtsZ, называемое бактериальным кольцом деления, помогает формировать новую «стену», разделяющую дочерние клетки. Однако основные физические аспекты самоорганизации FtsZ до сих пор не объяснены.
Теперь специалисты по вычислительному моделированию из группы Шарича объединяются с экспериментаторами из группы Шеймуса Холдена из Университета Уорика, Великобритания, и группы Мартина Луза из ISTA, чтобы раскрыть неожиданный механизм самосборки. Их вычислительная работа демонстрирует, как невыровненные нити FtsZ реагируют, когда они сталкиваются с препятствием.
«Умирая» и собираясь заново, они способствуют формированию бактериального кольца деления, хорошо выровненной нитевидной структуры. Эти открытия могут найти применение в разработке синтетических самовосстанавливающихся материалов.
FtsZ формирует белковые нити, которые самоорганизуются, разрастаясь и сжимаясь в непрерывном цикле. Этот процесс, называемый «беговая дорожка», представляет собой постоянное добавление и удаление субъединиц на противоположных концах нити. Было показано, что несколько белков бегают в различных формах жизни, таких как бактерии, животные или растения.
Ученые ранее рассматривали беговую дорожку как форму самодвижения и моделировали ее как нити, движущиеся вперед. Однако такие модели не отражают постоянного оборота субъединиц и переоценивают силы, создаваемые сборкой нитей. Таким образом, Анджела Шарич и ее команда приступили к моделированию того, как субъединицы FtsZ взаимодействуют и спонтанно образуют нити при беговой дорожке.
«В наших клетках все находится в постоянном обороте. Поэтому нам нужно начать рассматривать биологически активную материю с призмы молекулярного оборота и таким образом, чтобы она адаптировалась к внешней среде», — говорит Шарич.
То, что они обнаружили, было поразительным. В отличие от самодвижущихся агрегатов, которые толкают окружающие молекулы и создают «толчок», ощущаемый на больших молекулярных расстояниях, они увидели, что невыровненные нити FtsZ начали «умирать», когда они наталкивались на препятствие.
«Активная материя, состоящая из смертных нитей, не относится легкомысленно к смещению. Когда нить растет и сталкивается с препятствиями, она растворяется и умирает», — говорит первый автор исследования Ванхилле Кампос.
«Наша модель демонстрирует, что беговые сборки приводят к локальному заживлению активного материала. Когда смещенные нити отмирают, они способствуют лучшей общей сборке», - добавляет Шарич.
Включив в свою модель геометрию клетки и кривизну нитей, они показали, как гибель смещенных нитей FtsZ помогает сформировать кольцо деления бактерий.
Движимые физическими теориями молекулярных взаимодействий, Шарич и ее команда вскоре провели две независимые встречи с экспериментальными группами, которые помогли подтвердить их результаты. На разнообразной и многопрофильной конференции под названием «Физика встречается с биологией» они встретились с Холденом, который работал над визуализацией формирования бактериальных колец в живых клетках.
На этой встрече Холден представил захватывающие экспериментальные данные, показывающие, что смерть и рождение филаментов FtsZ были необходимы для формирования кольца деления. Это предполагало, что беговая дорожка играла решающую роль в этом процессе.
«К счастью, мы обнаружили, что кольца FtsZ в наших симуляциях вели себя так же, как кольца деления Bacillus subtilis, которые визуализировала группа Холдена», — говорит Ванхилле Кампос.
Подобным же образом удача сопутствовала Шарич и ее группе, когда они переехали из Лондонского университетского колледжа в ISTA, и они объединились с Мартином Лусом, который работал над сборкой нитей FtsZ в контролируемой экспериментальной установке in vitro. Они увидели, что результаты in vitro очень близки к результатам моделирования и еще раз подтвердили результаты вычислений команды.
Самоорганизация материи, обусловленная энергией, является фундаментальным процессом в физике. Группа под руководством Шарича теперь предполагает, что филаменты FtsZ представляют собой другой тип активной материи, которая вкладывает энергию в оборот, а не в подвижность.
«В моей группе мы задаемся вопросом, как создать живую материю из неживого материала, который выглядит как живой. Таким образом, наша нынешняя работа может способствовать созданию синтетических самовосстанавливающихся материалов или синтетических клеток», — говорит Шарич.
На следующем этапе Шарич с командой попытаются смоделировать, как бактериальное кольцо деления помогает построить стенку, которая разделит клетку на две части.
