Przeciąganie liny w mikroświecie

Każda komórka w świecie ożywionym przypomina złożoną fabrykę. I jak każda fabryka potrzebuje sprawnego systemu transportowego. Dla sprawnego działania tej biochemicznej maszynerii potrzebny jest szybki i wydajny układ przenoszący "surowce" (nazywane substratami) i produkty reakcji. Do tej pory niewiele było wiadomo na temat działania tego mechanizmu, lecz oczywistym było, że musi być wysoce zorganizowany. Badacze z niemieckiego Instytutu Maksa Plancka przeprowadzili komputerowe symulacje działania takiego systemu, jednak ich wyniki są dość zaskakujące. Okazuje się bowiem, że procesy te bardziej niż transport po drodze szybkiego ruchu przypominają... przeciąganie liny.

Większość substancji wewnątrz komórek wyższych organizmów transportowana jest na duże (oczywiście w skali pojedynczej komórki) odległości za pomocą włókien zwanych mikrotubulami. Są to nitkowate struktury obdarzone odmiennymi ładunkami elektrycznymi na obu końcach. Współpracują z nimi tzw. białka kroczące, z których najważniejsze dwa to kinezyna i dyneina. Każda z nich ma zdolność do zużywania energii wiązań chemicznych (zużywają do tego celu związek zwany ATP) i wykorzystywania jej do "kroczenia" po mikrotubuli tylko w jednym z kierunków (kinezyna zawsze kroczy w kierunku ładunku dodatniego, dyneina zaś przesuwa się do końca naładowanego negatywnie). Oba te białka posiadają też w swojej strukturze specjalne miejsce, do którego przyczepia się pęcherzyk zawierający transportowaną substancję. Dzięki temu możliwy jest wydajny transport substancji od miejsca wytworzenia do punktu, w którym są w danej chwili potrzebne. Okazuje się jednak, że białka te często konkurują ze sobą, zamiast współpracować. Dopiero po chwili "siłowania się" ze sobą zapada decyzja, w którym kierunku podąży pęcherzyk.

Melanie Müller, jedna z autorek symulacji, tłumaczy: "Przeciąganie liny" to najprostszy wyobrażalny mechanizm. Badania niemieckich naukowców sugerują, że na powierzchni mikrotubuli dochodzi do "próby sił", w której cząsteczki kinezyny i dyneiny starają się "wyrwać" pęcherzyk i przejąć kontrolę nad kierunkiem jego przenoszenia. W wyniku nagłego oderwania pęcherzyka od cząsteczki proteiny wyzwalana jest duża ilość energii (na podobnej zasadzie zwycięzca przeciągania liny często upada na plecy), która powoduje oderwanie "przegranego" od włókna, co umożliwia z kolei transport wzdłuż "oczyszczonego" włókna. Najprawdopodobniej jednak proces ten nie jest w stu procentach zdezorganizowany - przypuszcza się, że istnieją białka regulujące ostateczny kierunek przenoszenia ładunku.

Niemieccy badacze postanowili sprawdzić słuszność symulacji w warunkach in vivo czyli w żywych komórkach. Badali eksperymentalnie sposób transportu pęcherzyków tłuszczu wewnątrz komórek embrionu muszki owocowej (Drosophila melanogaster). Udało się ustalić, że proces ten nie jest jednostajny - rzeczywiście dochodzi do konkurencji pomiędzy molekułami kinezyny i dyneiny, której zwycięzca determinuje kierunek dalszej podróży ładunku.

Wspomniany system z pozoru może się wydawać marnotrawstwem energii. Okazuje się jednak, że może on znakomicie sprawdzać się jako regulator prędkości przesuwu pęcherzyka wzdłuż włókna, spowalniajac go, gdy jego zawartość nie jest chwilowo potrzebna w miejscu przeznaczenia. Dzięki konkurencji na powierzchni mikrotubuli jest także możliwe odwrócenie kierunku transportu, gdy ładunek przedostanie się dalej, niż powinien. Zachodzące przy okazji konkurencji odrywanie białek od rdzenia jest także sposobem, dzięki któremu komórka zabezpiecza się przed nadmiernym nagromadzeniem protein na jego końcach. Należy bowiem pamiętać, że każde z białek może przesuwać się tylko w jedna stronę, więc niemożliwe byłoby ich ponowne wykorzystanie po dotarciu do naładowanego elektrycznie zakończenia mikrotubuli. Dzięki temu, że co pewien czas są odrywane od włókna, mogą przylgnąć do niego ponownie w innym miejscu.

Badacze przewidują, że możliwe będzie zastosowanie wspomnianego mechanizmu w nanotechnologii. Uważają, że umiejętne wykorzystanie wewnątrzkomórkowego transportu może umozliwić transport drobnych cząsteczek do ściśle określonych miejsc w komórce. Melanie Müller tłumaczy: System \'przeciągania liny\' mógłby zostać użyty do transportu mikroskopijnych \'laboratoriów na chipie\'. Nasz model daje potencjalną możliwość optymalizacji tego procesu w zależności od potrzeb.

kinezyna dyneina komórka przeciąganie liny