„Ако сте у бару или ноћном клубу који није препун, можда нећете ни са ким разговарати нити плесати“, рекао је Лиам Холтћелијски биолог на Универзитету Лангоне Хеалтх у Њујорку. „Али у поноћ када је бар препун, већа је вероватноћа да ћете разговарати или плесати са неким поред вас. Али ако видите некога преко собе, теже је доћи до њега.“
Нова открића збуњују очекивања научника, постављајући питања о томе како тачно молекули могу да наиђу на своје реактивне партнере у препуном, препуном простору – и стога како ћелије могу да функционишу.
Оштрица биофизичког ножа
Ћелије могу бити биолошки ентитети, али нису изузете од закона физике. У својој књизи из 1944 Шта је живот? Физички аспект живе ћелијеквантни физичар Ервин Шредингер је тврдио да се жива бића, као и њихови неживи колеге, морају подвргнути управљању физичким законима. Његова визија је од тада инспирисала физичаре који се баве биологијом и биологе који се баве физиком.
Али проучавање физике еукариотских ћелија — врсте које чине наша тела и тела других вишећелијских организама — представљало је изазов: како проучавати појединачну ћелију закопану дубоко у телу особе, миша или чак обичног црва?
У почетку су научници заобилазили овај проблем тако што су уклањали те ћелије од људи и животиња и узгајали их у епруветама или петријевим посудама. Ране студије су наговестиле да су ћелије подложне феномену Златокосе: Оне најбоље функционишу када њихова цитоплазма – све што је затворено ћелијском мембраном, укључујући органеле, молекуларне структуре као што су рибозоми, и гелу сличан цитосол и његови растворени молекули – има одређени ниво гужве, али не превише. Током 1980-их, тим истраживача је открио да ако су разређена цитоплазма чак и мало екстраховане из жабљих јаја, виталне биохемијске реакције као што су митоза и репликација ДНК су престале. Друге студије су откриле да пренасељеност може бити једнако катастрофална, узрокујући да се хемијска машинерија живота замрзне.
Ћелије константно бујају кроз енергију да би покренуле ствари, задржале течност цитосола и подстакле молекуле да се сударају и реагују чешће него што би то урадили једноставном дифузијом. Чак и тако, изгледа да ћелијски живот балансира на ивици ножа. Да су ћелије мање претрпане, молекули би лутали бесциљно и само ретко би наилазили на свог партнера (или партнере) у хемијским реакцијама које покрећу живот — метаболизам, синтеза протеина, раст, деоба и још много тога. У тој ситуацији ћелијски живот би увенуо. Ако би, с друге стране, ћелије биле много гужве, молекули би били заглављени на месту, неспособни да се много померају, а камоли да наиђу на своје реакционе партнере. Живот би се зауставио.
Чинило се да је еволуција успоставила деликатну равнотежу између превелике и недовољне гужве, са великим молекулима као што су рибозоми који обично представљају између 30% и 40% запремине растворених макромолекула у цитосолу, рекао је Холт. „Чини се да је велики део биологије подешен да има веома сличан ниво гужве. Али да би потврдили ово гледиште, истраживачи би морали да пронађу начин да прате молекуле који се крећу кроз ћелију. Требао би им трагач праве величине.
Цровд Цонтрол
Гужва је релативна. Док особа може имати проблема да се креће кроз Холтов замишљени клуб у поноћ, мачка или миш не би сматрали да је превише гужва да би се кретала. Да би проучавали гужву у ћелијама, биолозима је био потребан прокси молекул у истом опсегу величина – трагач који је отприлике велик као велики молекули укључени у већину ћелијских реакција.
Средином 2010-их, Холт је представио генетски кодиране мултимерне наночестице, или ГЕМ, који су природни сферни протеини пречника око 40 нанометара – отприлике исте величине као рибозоми, молекуларне машине које граде протеине. Користећи генетски инжењеринг, истраживачи могу украсити површине ГЕМ-а светлећим зеленим флуоресцентним ознакама, а затим пратити њихово кретање кроз ћелијску цитоплазму под микроскопом.
У 2018, овај приступ је Холту и његовим колегама дао свеж увид у то како ћелије управљају својом пренасељеношћу. Они су ставили ГЕМ унутар ћелија квасца и људских ћелија у култури и измерили колико је времена било потребно честицама да прођу кроз различите области ћелије. Чудно, у ћелијама које су узгајане у различитим условима исхране, изгледало је да се гужва целе ћелије променила. „Ово ме је навело да питам шта се дешава“, рекао је Холт.
Сумњао је да је мТОРЦ1 умешан. Главни сензор хранљивих материја у еукариотским ћелијама, мТОРЦ1 је главни регулатор раста ћелија; на основу нивоа хранљивих материја, може подстаћи производњу рибозома да би се брже изградило више протеина. „Брзина којом организми могу да расту је у основи ограничена бројем рибозома који могу да произведу“, рекао је Холт. Заиста, када је његов тим хемијски потиснуо мТОРЦ1, концентрација рибозома се смањила, а ГЕМ су много лакше текли кроз цитоплазму.
