Команда химиков и физиков из Нью-Йоркского университета заглянула внутрь одного из самых загадочных процессов в живой клетке. Ученые впервые смогли разглядеть, как клетки создают и растят особые динамичные капельки, так называемые биомолекулярные конденсаты. Для этого они использовали два передовых метода: голографическую микроскопию и сверхточную микроскопию сверхвысокого разрешения.

Подробности опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society.

До сих пор изучение этих капелек напоминало попытку понять устройство часового механизма, тыкая в него палкой. Любые методы наблюдения — подсветка флуоресцентными метками или размещение на плоской поверхности — грубо искажали хрупкое поведение конденсатов. Теперь же ученые измерили белковый состав и динамику роста каждой отдельной капельки, нисколько ее не потревожив. Эти знания могут коренным образом изменить подход к разработке лекарств и моделированию болезней.

Биомолекулярные конденсаты — это крошечные структуры, которые, как умные менеджеры, управляют жизненными функциями клетки: регулируют работу генов, реагируют на стресс. Они концентрируют в себе определенные молекулы (белки, нуклеиновые кислоты) без какой-либо оболочки или мембраны. Этот процесс, похожий на расслоение масла и воды, но неизмеримо более сложный, называют фазовым разделением.

Для ученых это давно было тем самым слоном в комнате, о котором все молчат, — говорит Саумыя Саурабх, доцент химической биологии в NYU и старший автор исследования. — Наша работа предлагает точный и неинвазивный способ их изучения.

Возможность впервые заглянуть «под капот» преподнесла нам несколько больших сюрпризов об этой важнейшей системе, — добавляет соавтор работы Дэвид Грир, профессор физики.

Исследователей ждало первое открытие: капельки невероятно чувствительны к своему окружению.

Меня поразила их сложная и невероятно чувствительная реакция на разные ионы. Даже небольшое изменение валентности иона резко меняло и концентрацию, и динамику конденсата, — объясняет Джулиан фон Хофе, аспирант в группе Саурабха.

Чтобы обойти проблему, ученые пропустили тысячи капелек через поток жидкости под объектив голографического микроскопа. Этот метод, разработанный в лаборатории Грира, использует лазеры и линзы для создания трехмерных голограмм частиц. Это позволяет разглядеть и охарактеризовать каждую частицу в растворе без всяких флуоресцентных меток.

Изучая конденсаты на основе белка PopZ (ключевого для роста бактериальных клеток), команда решила измерить концентрацию белка внутри них. Они воспользовались идеей, восходящей к опыту Бенджамина Франклина: зная объем одной молекулы белка, можно вычислить ее концентрацию в капле. Оказалось, что внутри конденсатов белки могут концентрироваться более чем в десять раз.

Но механизм их роста оказался неожиданным и не подчинялся классическим моделям. Чтобы разобраться, ученые применили микроскопию сверхвысокого разрешения — конек лаборатории Саурабха. Данные показали, что конденсаты — это не просто однородные капли. Внутри них обнаружилась сложная архитектура в наномасштабе, в 1000–100 000 раз меньшем, чем толщина человеческого волоса.

Что выяснили ученые:

• Конденсаты обладают сложной внутренней организацией.
• Их рост не описывается простыми физическими моделями.
• Их состав и поведение крайне чувствительны к мельчайшим изменениям в среде.

Понимание того, как устроены и растут эти капельки, может дать ключи к лечению множества болезней: от рака и инфекций до нейродегенеративных расстройств вроде БАС.

При БАС белки, которые в здоровом состоянии образуют жидкостные конденсаты, при болезни формируют смертоносные бляшки. Понять, как шарообразный конденсат превращается в смертоносную бляшку — значит понять саму природу БАС, — говорит Саурабх.

Есть и еще одно важное применение. Многие лекарства, как выяснилось, накапливаются внутри этих клеточных капелек. Это может объяснять, почему препараты, созданные для воздействия на один специфический белок, все равно дают побочные эффекты. Новая методика позволяет точно измерить, как молекулы лекарства проникают внутрь конденсатов и меняют их.

Мы можем исследовать, как модификация химической структуры препарата влияет на ее проникновение в конденсаты, и добиваться нужное специфичности, чтобы предотвратить нежелательные эффекты. Это открывает новые горизонты в дизайне лекарств, — заключает Саурабх.

Реальная польза этого исследования лежит в двух плоскостях: фундаментальной и сугубо прикладной. Во-первых, оно дает биологам принципиально новый, неразрушающий инструмент для изучения одного из базовых процессов клеточной организации. Это как заменить рентгеновский аппарат на МРТ: мы наконец видим объект в его естественной среде, а не в искаженном состоянии. Это позволит перепроверить многие существующие теории и построить новые, более точные модели клеточной жизни.

Во-вторых, и это главное, работа открывает прямую дорогу к революции в фармакологии. Если мы научимся управлять тем, в какие именно конденсаты попадает лекарство, мы сможем радикально повысить его эффективность и снизить токсичность. Вместо грубого выстрела по мишени-белку мы получим инструмент для точечной доставки препарата в нужный «офис» внутри клетки. Это потенциально может решить проблемы с резистентностью и побочными эффектами для целого класса современных препаратов.

Основное замечание заключается в том, что исследование проводилось in vitro — в пробирке, на моделированной системе всего с одним типом белка (PopZ). Живая клетка — несравнимо более сложная среда, где на формирование конденсатов влияют тысячи других молекул, постоянный метаболизм и трехмерная архитектура клеточного пространства. Вполне возможно, что наблюдаемая сложная организация и динамика роста в таких стерильных условиях могут упрощаться или, наоборот, еще более усложняться внутри реальной клетки. Выводы работы необходимо будет верифицировать в in vivo моделях, что является следующей, гораздо более сложной экспериментальной задачей.

Ранее ученые разработали технологию, которая демонстрирует состав клетки.