Впервые ученые связали механические свойства с «возрастом» клеточной стенки, и он стал возможен только благодаря новому методу, который позволяет следить за одними и теми же клетками в течение длительного времени и в ходе последовательных раундов деления.

Кембриджские исследователи смогли увидеть, как формируются новые стенки, и затем измерить их механические свойства. Эта новаторская работа показала, что новые клеточные стенки некоторых растений в 1,5 раза жестче, чем окружающие их стенки родительских клеток — неожиданное и удивительное открытие.

Размер и форма таких органов растений, как листья и цветы, являются результатом сложного взаимодействия генетики, сигнальных систем, механической обратной связи и факторов окружающей среды. Хотя мы достигли значительного прогресса в понимании этих процессов, не всегда легко связать то, что происходит на клеточном уровне, с тем, что происходит на уровне органов.

Исследования, проведенные в Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета (SLCU) на двух отдаленно родственных видах растений, позволили получить новые данные, свидетельствующие о том, что деление клеток на локальном уровне играет активную роль в контроле размеров органов. Междисциплинарный проект был реализован в сотрудничестве трех исследовательских групп SLCU (Robinson Group, Schornack Group и Jönsson Group) и группы микроскопического оборудования SLCU, объединяющей специалистов в области экспериментальной биомеханики, генетики, визуализации и вычислительного моделирования.

Сочетая передовую микроскопическую съемку отдельных клеток в реальном времени, современные методы определения характеристик материалов и математическое моделирование, исследовательская группа Сары Робинсон показала, что процесс деления клеток локально изменяет механические свойства растущей ткани, что потенциально может повлиять на конечную форму и размер растительного органа. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

В отличие от клеток животных, растительные клетки заключены в жесткую оболочку — клеточную стенку. При делении клетки происходит образование новых клеточных стенок, которые изменяют механическое напряжение в клетке, ее геометрию и механические свойства окружающей ткани.

Ученые смогли исследовать механические свойства отдельных клеточных стенок во внешнем клеточном слое растительного органа, но они не знали, сколько лет каждой стенке, и могли только догадываться, делилась ли она только что. Первый автор статьи, бывший научный сотрудник группы Робинсона, а ныне научный сотрудник Миланского политехнического института Алессандра Бонфанти, наблюдая за клетками в течение определенного времени, заметила образование новых стенок и, таким образом, смогла связать механические свойства с «возрастом» клеточной стенки.

Доктор Бонфанти разработала протокол, в котором сочетаются временная визуализация и измерения с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) для систематического картирования возраста, роста и механических свойств (жесткости) стенок отдельных клеток, а также для отслеживания одних и тех же клеточных стенок в ходе последовательных раундов деления.

Мы уже давно знаем, что клеточная стенка — это очень динамичный материал. Во время деления клетки в нее добавляется новый материал, а механические свойства клеточной стенки изменяются в процессе роста, что позволяет стенкам претерпевать значительные изменения формы и размера без разрушения, — говорит д-р Бонфанти.

Однако до тех пор, пока мы не разработали новый протокол, позволяющий измерять механические свойства клеточных стенок во времени, было неизвестно, как механические свойства новых клеточных стенок изменяются в пространстве и времени.

«Мы использовали этот протокол для изучения того, как изменяется жесткость новообразованных клеточных стенок в течение 24 и 48 часов вплоть до стадии зрелости, и как это влияет на локальные формы клеток», — говорит д-р Бонфанти. „Для этого мы использовали две системы: геммы печеночницы Marchantia polymorpha и первый настоящий лист Arabidopsis thaliana на ранней стадии развития“.

Клетки в молодых тканях двух изучаемых видов растений изначально имеют схожую геометрию квадратной формы, что сделало их хорошими моделями для сравнения.

«Сначала мы охарактеризовали схему роста и деления клеток у геммы M. polymorpha, которая до сих пор оставалась неясной в литературе», — говорит д-р Бонфанти. „Затем с помощью оптомеханических измерений, используя временную визуализацию в сочетании с АСМ-измерениями, мы показали, что деление клеток в M. polymorpha gemmae приводит к образованию временной более жесткой и медленно растущей новой стенки. В отличие от этого, в листьях A. thaliana такое временное явление отсутствует“.

Действительно, новые клеточные стенки у M. polymorpha становились в 1,5 раза жестче родительских клеточных стенок.

Мы показали, что существуют значительные различия в жесткости стенок новых клеток по сравнению со стенками родительских клеток, и что эти различия вносят вклад в геометрию и рост клетки, — сказал руководитель группы д-р Робинсон.

Это говорит о том, что деление клеток и изменение их механических свойств изменяет скорость разрастания тканей и может повлиять на конечный размер органа.

Доктор Робинсон объяснил значение этого открытия:

Мы уже знали, что при росте клеток клеточные стенки разрыхляются и становятся более мягкими, поскольку стенки должны растягиваться, чтобы клетки могли расширяться в процессе роста. Но мы не знали, что происходит при делении клетки и какими свойствами будет обладать новая клеточная стенка. Будут ли они такими же или отличными от стенок в окружающей ткани и как это повлияет на рост клетки?

Тот факт, что новые клеточные стенки намного жестче, приводит к ограничению роста органа, поскольку они препятствуют росту и влияют на форму составляющих клеток.

«Клетки M. polymorpha также изменяют свою геометрию и быстрее развивают угол соединения 120°, формируя геометрию клеток, более близкую к гексагональной форме, которая считается наиболее эффективной с точки зрения формирования материала для покрытия площади». Вычислительное моделирование, проведенное в рамках данного проекта Юаном Смитерсом и Россом Картером, позволило получить доказательства того, что наличие жесткой новой стенки ускоряет формирование этих 120° углов».

«Важно знать, что новая клеточная стенка может отличаться от родительской, и это дает нам новые вопросы для изучения: всегда ли это так, в каких условиях и почему так происходит?»