Если вы когда-нибудь наблюдали, как лейкоциты протискиваются через крошечную щель в стенках кровеносных сосудов, чтобы добраться до места инфекции, или видели, как рыбья клетка перемещается по предметному стеклу микроскопа, как будто она движется по людному тротуару, вы были свидетелем подвижности клеток в действии. Однако большинство людей не задумываются о том, что это движение становится возможным не только благодаря белкам внутри клетки, но и к мембранной структуре, которая окружает ее, что-то вроде «кожи», удерживающей всю операцию вместе. Как человек, который много лет работал поставщиком мембранных конструкций, я потратил много времени, изучая, как мембраны работают как в зданиях, которые мы поставляем, так и в крошечных живых структурах внутри клеток. Да, это не так случайно, как кажется — между ними гораздо больше параллелей, чем можно было ожидать, и выяснение этого позволило мне увидеть подвижность клеток в совершенно новом свете. Давайте разберемся, никаких скучных учебников, только то, чему я научился как в результате своей работы, так и в результате глубоких погружений в компьютерные игры.
Во-первых, давайте проясним основы: клеточная мембрана — это не просто тонкий статический мешок. Это текучая мозаика — смесь липидов, белков и даже крошечных частиц холестерина, которые постоянно движутся, как оживленная, многолюдная улица. Но структура этой мембраны (насколько она жесткая, насколько гибкая, как части скрепляются друг с другом) напрямую влияет на то, как клетка может двигаться. Если вы когда-либо устанавливали одну из наших мембранных конструкций, скажем,Натянутая мембранная структурадля открытой площадки — вы знаете, что напряжение — это все. Слишком свободный, он провисает и не держит форму; слишком тугой, и он не может согнуться при порыве ветра. То же самое и с клеточной мембраной. Если он слишком гибкий, клетка не сможет выдвинуть «ногу», чтобы двигаться вперед; если он слишком жесткий, он не сможет протиснуться в ограниченное пространство. Этот баланс напряжения? Это решающий фактор для моторики.
Подождите, давайте воспользуемся реальным примером. Несколько лет назад я болтал с приятелем, клеточным биологом, который изучал раковые клетки — эти чуваки очень хорошо передвигаются, поэтому и дают метастазы. Он рассказал мне, что когда он возился с молекулами липидов в клеточной мембране, чтобы сделать ее менее гибкой, раковые клетки едва могли двигаться. Они просто сидели там, хотя их внутренние «моторные» белки (те, которые на самом деле толкают) все еще работали. Почему? Потому что мембрана не могла растянуться настолько, чтобы позволить клетке вытолкнуть маленькие выступы, называемые ламеллиподиями, — те плоские, похожие на пальцы кусочки, которые ведут клетку вперед. Если структура мембраны была слишком жесткой, не было никакой возможности расширить переднюю кромку. Это точно так же, как нашим натянутым мембранным структурам нужно немного дать возможность справиться с погодой, но не настолько, чтобы они потеряли свою форму — клеткам нужна та же самая золотая середина.
Но не все мембранные структуры одинаковы, верно? Вернувшись в наш офис, мы поставляемМембранная структура из ПТФЭдля мест, требующих долговечности, таких как спортивные арены, иНадувная мембранная конструкциядля временных помещений для проведения мероприятий, которые должны быть светлыми. Клетки также имеют разные типы мембранных «частей», и это меняет способ их движения. Давайте поговорим об этих крошечных мембранных белках, таких как интегрины, которые подобны крюкам клетки. Они проникают через мембрану и соединяются с веществом снаружи клетки, поэтому клетка может двигаться дальше. Если структура мембраны не позволяет интегринам перемещаться (или прилипает слишком много из них в одном месте), клетка не может хорошо захватить ее. Это похоже на то, если бы в наши мембранные структуры в случайном порядке воткнулось множество крючков — они бы не держались крепко за то, к чему прикреплены. Когда я работал над недавним проектом в лаборатории колледжа, они модифицировали клеточную мембрану, чтобы в ней было больше этих мобильных интегринов, и клетка двигалась в два раза быстрее. Это не волшебство — это структура мембраны, позволяющая белкам выполнять свою работу.
Еще один важный момент: искривление мембраны. Да, мембраны все время изгибаются — клетки образуют маленькие пузырьки (везикулы), чтобы переносить что-то, и они изгибаются, образуя те ламеллиподии, о которых я упоминал ранее. Что контролирует эту кривизну? Структура мембраны в основном обусловлена теми липидами, которые имеют два разных конца (один любит воду, другой ее ненавидит). Если липиды имеют определенную форму, они легко сгибаются, а если нет, то остаются плоскими. Я помню, как устанавливал нашМембранная конструкция рамного типав прошлом году для автовокзала — нам пришлось использовать раму, в которой мембрана была изогнута так, чтобы соответствовать пространству. Клетки делают то же самое, используя белки, которые действуют как крошечные рамки или «формирователи кривизны», заставляя мембрану изгибаться там, где им это нужно. Например, когда лейкоцит движется к инфекции, ему приходится изгибать свою мембрану, чтобы обернуть бактерию. Если структура мембраны не может изгибаться таким образом, она не сможет поглотить бактерии, а это очень важно для иммунной функции. Именно такие вещи делают мою работу крутой, потому что речь идет не только о зданиях; речь идет и о крошечных живых существах.
Подождите, давайте поговорим о том, что происходит, когда мембрана слишком «липкая» или недостаточно липкая. Я работал с клиентами, которым нужны были мембранные конструкции, устойчивые к загрязнениям (например, нашиМембранная структура ETFEкоторый очень гладкий), и другие, которым нужно лучше держать предметы. То же самое и с клеточными мембранами. Если мембрана слишком липкая, она прилипает ко всем мелочам, к которым прикасается, поэтому не может двигаться вперед — она просто застревает. Если он недостаточно липкий, он не сможет схватиться и потянуть себя. Подвижность клеток — это баланс: достаточное прилипание спереди и отпускание сзади. Мой приятель, исследователь рака, обнаружил, что, когда он добавлял еще немного скользкого липида к клеточной мембране, раковые клетки не метастазировали так сильно — они, по сути, не могли покинуть свою исходную точку. Это прекрасный пример того, как структура мембраны напрямую меняет такие важные вещи, как распространение рака.
Я знаю, что это звучит немного научно, но давайте свяжем это с моей работой, ведь именно поэтому я пишу это. В течение многих лет я думал, что мембранные конструкции предназначены только для зданий — навесов, стадионов, площадок для проведения мероприятий. Но когда я начал общаться с учёными, я понял, что те же самые принципы, которые заставляют работать наши структуры (напряжение, гибкость, кривизна, сцепление), — это именно то, что делает возможным движение клеток. Когда мы проектируем наши мембранные конструкции, мы проверяем их на предмет того, как они выдерживают нагрузки, как они изгибаются, как они крепятся к рамам или анкерам. Именно это клетки делают со своими мембранами каждую минуту каждого дня.
Давайте рассмотрим реальный научный пример, который я придумал в прошлом месяце: исследование нейронов, тех нервных клеток, которым приходится очень долго растягиваться, чтобы соединиться с другими частями тела. Нейроны во время развития много двигаются — им нужно вырасти в нужное место, верно? Мембранная структура нейрона сильно отличается от структуры мембраны клетки кожи. У нее есть аксон — длинная тонкая «рука», которую клетка использует, чтобы дотянуться. Если мембрана аксона слишком жесткая, он не сможет вырасти достаточно долго для соединения. Исследователи обнаружили, что добавление определенного типа липидов (того самого вещества, которое делает наши мембранные структуры гибкими) к мембране нейрона заставляет аксон расти в два раза быстрее. Это дикость: движение клеток касается не только внутренних белков; речь идет о внешнем слое, который удерживает все внутри.
И вот в чем дело: даже небольшие изменения в структуре мембраны могут иметь огромные последствия. Например, если вы возьмете клетку и настроите только один тип липида в ее мембране, это изменит напряжение, которое изменит способ формирования ламеллиподия и скорость движения клетки. Я убедился в этом своими глазами, когда помогал в лаборатории тестировать новый мембранный материал (что-то вроде специального липида для клеток), который заставлял клетки фибробласты (те, которые создают соединительную ткань) двигаться в три раза быстрее. Именно такие прорывы заставляют меня любить эту работу — будь то создание купола, который прослужит 20 лет, или помощь клеткам в более быстром заживлении, мембранная структура является основой.
Подождите, давайте проясним распространенное заблуждение: люди думают, что движение клеток связано с цитоскелетом, белковым «скелетом» внутри клетки. Но без мембраны этот скелет не может ни толкать, ни тянуть. Мембрана является связующим звеном между внутренней и внешней частью клетки, поэтому каждый раз, когда клетка движется, мембране приходится адаптироваться. Если мембрана слишком жесткая, цитоскелет не может прижаться к ней и выпячиваться. Если он слишком гибкий, выступ схлопывается. Это похоже на попытку надуть воздушный шарик с дыркой — как бы сильно вы ни дули (цитоскелет), это не сработает, потому что структура неправильная. Именно с этим связана моя работа: выбор правильного типа мембраны для работы аналогичен выбору правильной структуры мембраны для клетки. Независимо от того, выбираем ли мы натяжную мембрану, мембрану из ПТФЭ, надувную, рамочную или ЭТФЭ, каждая из них обладает особыми свойствами, которые делают ее подходящей для определенных целей. Клетки делают то же самое, только в крошечных масштабах.
Я понимаю, что некоторые из вас могут подумать: "Почему это имеет значение? Меня просто волнуют наши строительные проекты". Но вот в чем дело: исследования, которые мы проводим о том, как структура мембраны влияет на подвижность клеток, уже помогают нам создавать более качественные мембранные конструкции для зданий. Мы используем те же методы стресс-тестирования, которые биологи используют для клеточных мембран, чтобы убедиться, что наши продукты выдерживают испытания. Мы даже начали использовать аналогичные изменения в материалах — например, добавляя крошечные гибкие полимеры к нашим мембранам, что стало результатом изучения того, как клеточные мембраны остаются жидкими. Это улица с двусторонним движением: моя работа по поставке мембранных структур дает мне новый взгляд на клеточную биологию, и эти исследования делают нашу продукцию лучше.
В конце концов, будь то клетка, протискивающаяся через кровеносный сосуд, или мембранный покров, укрывающий концерт, структура – это все. Баланс напряжения, гибкости, захвата и изгиба — это то, что делает возможным движение, независимо от того, насколько оно велико или мало. Как поставщик мембранных конструкций, я потратил годы на освоение этих принципов для наших зданий, но, увидев, как они применяются к клеткам, я еще больше горжусь тем, что мы делаем. Каждый раз, когда мы устанавливаем структуру, которая работает точно так, как задумано, это то же самое, что наблюдать за идеальным движением клетки — доказательство того, что правильная структура является ключом к тому, чтобы все работало.
Если вы работаете над проектом, требующим мембранной конструкции — будь то постоянный навес площади, временное пространство для проведения мероприятий, крыша спортивной арены или что-то среднее — мы предоставим вам все необходимое. Мы не просто продаем мембранные материалы; мы знаем, как структура влияет на функционирование, точно так же, как клеточные биологи знают, как структура мембраны влияет на движение. Обратитесь к нашей команде, чтобы обсудить ваши потребности, и мы поможем вам выбрать подходящую мембрану — будь то натяжная, ПТФЭ, надувная, рамочная или ETFE — для вашего проекта.
Ссылки:
- Поллард, Т.Д., и Борисий, Г.Г. (2003). Подвижность клеток обусловлена сборкой и разборкой актиновых нитей. Ячейка, 112(4), 453-465.
- Шитц, член парламента (2001). Подвижность клеток: интеграция мембранных, цитоскелетных и сигнальных сетей. Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология, 2 (1), 15-22.
- Липовски Р. и Сакманн Э. (1995). Структура и динамика мембран. Эльзевир Наука.
- Касза, К.Е. и др. (2007). Клетка как материал: механические свойства и клеточная функция. Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология, 8 (7), 582-588.