Одноклітинний водний організм Spirostomum ambiguum здатен за менш ніж п’ять мілісекунд стиснутися до чверті своєї довжини — приблизно у 200 разів швидше, ніж людина встигає моргнути. Команда біофізиків описала, як саме це відбувається, і показала, що за рекордну швидкість відповідає незвичайна білкова мережа, активована іонами кальцію. Про роботу розповідає видання SciTechDaily.
Гігант серед одноклітинних і його надшвидкий рух
Spirostomum ambiguum — це гігантський інфузорій, одноклітинний організм, вкритий віями (циліями), за допомогою яких він плаває. Серед інфузорій він вирізняється тим, що може скорочуватися зі швидкістю близько 100 довжин тіла за секунду і майже миттєво повторювати цей рух.
Таке скорочення, ймовірно, допомагає організму тікати від хижаків або передавати сигнали іншим інфузоріям. Людські м’язові волокна можуть вкорочуватися на подібну частку довжини, але роблять це приблизно у десять разів повільніше, тому Spirostomum давно привертає увагу дослідників, які вивчають, як біологічні системи створюють швидкий рух без звичайних м’язів.
За словами Мері Елтінг (Mary Elting), доцентки біофізики з Університету штату Північна Кароліна і однієї з кореспондентських авторок роботи, ключова відмінність полягає в тому, що саме живить скорочення і як виглядає «механіка» всередині клітини. Розуміння цих процесів може допомогти створювати синтетичні системи, які наслідують швидкість і силу цього одноклітинного організму.
«Рибальська сітка» з білків замість м’язових волокон
Щоб з’ясувати, яка структура забезпечує таке скорочення, дослідники досліджували Spirostomum за допомогою електронної та імунофлуоресцентної мікроскопії. Вони побачили, що рух запускають іони кальцію, а саму силу створює характерна внутрішньоклітинна структура, схожа на рибальську сітку.
На відміну від багатоклітинних тварин, одноклітинні, зокрема Spirostomum, не мають м’язових волокон. Замість цього у них є міонеми — волокнисті структури з кальцій-зв’язувальних білків центрину (centrin) та Sfi1. У Spirostomum ці міонеми утворюють сітчасту «рибальську» мережу вздовж зовнішньої частини клітини.
Коли починається скорочення, ця мережа миттєво стягується, «підтягаючи» клітину всередину, а потім повертається до початкової конфігурації. Геометрія сітки дозволяє організму рівномірно вкорочуватися по всій довжині, а не деформуватися нерівномірно.
Елтінг пояснює, що така геометрія захищає внутрішні органели — «органи» одноклітинної істоти — під час надшвидкого руху. Ключову роль відіграє білок Sfi1 у складі міонем: він може переходити зі стану жорсткості до гнучкості. У присутності іонів кальцію Sfi1 втрачає жорсткість і збирається в клубок, схожий на «кулю мокрих спагеті». Це змушує сітку стягуватися і різко скорочує організм.
Здатність Sfi1 змінювати свій фізичний стан дає механічне пояснення, як мережа може скорочуватися настільки швидко. Замість того щоб покладатися на ту ж енергетичну систему, що й людські м’язи, Spirostomum реагує безпосередньо на сигнал кальцію.
Кальцій замість «пального» для м’язів
Скорочення людських м’язів залежить від аденозинтрифосфату (АТФ) — молекули, яка зберігає і вивільняє енергію в клітинах. У Spirostomum працює принципово інший механізм.
Елтінг порівнює його з переходом від бензинового до електричного двигуна: АТФ у м’язах зазнає хімічних перетворень і «згорає», як пальне, тоді як іони кальцію в Spirostomum діють радше як електричний струм. Водночас дослідники ще не знають, що саме створює «напругу», яка запускає цей струм, і як система повертається у вихідний стан, щоб скорочення могло повторюватися.
Це «перезавантаження» — одна з головних відкритих загадок. Зазвичай кальцій-запущені реакції очікувано працюють один раз, якщо немає спеціального механізму, що відновлює систему. Проте Spirostomum здатен скорочуватися знову і знову на великій швидкості.
Тепер команда вивчає, що саме ініціює кальцієвий сигнал і як організм відновлює роботу мережі після кожного скорочення. Розуміння цих аспектів руху, за словами дослідників, є ключем до створення швидкодіючих штучних м’язів, які працюватимуть без АТФ і наслідуватимуть унікальну «рибальську» архітектуру білкової сітки Spirostomum ambiguum.