Исследование предполагает, что коллективное поведение моторных белков, таких как кинезины, поддерживает клеточные транспортные системы в устойчивости, предпочитая медленное и устойчивое движение максимальному.По словам биофизика-теоретика Райс Анатолия Коломейского, взаимодействия, которые когда-то считались малозначимыми, заслуживают дальнейшего изучения. По его словам, небольшие изменения, которые можно контролировать с помощью лекарств, могут иметь большое влияние на динамику клеток, что является важным фактором при лечении заболеваний.
В статье его группы в Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical описывается новый теоретический подход к изучению влияния межмолекулярных взаимодействий на динамику моторных белков, которые движутся по филаментам цитоскелета, известным как микротрубочки.Моторные белки, питаемые аденозинтрифосфатом, который поставляет химическую энергию, «ходят» по микротрубочкам, доставляя груз по клеткам и выбрасывая мусор.
Предыдущая работа Коломейского и его учеников показала, как микротрубочки непрерывно строятся, разрушаются и восстанавливаются клетками, которые повторно используют молекулярные строительные блоки, такие как Lego.Новая математическая модель, построенная ведущим автором Хамидом Телмури и соавтором Каримом Мехрабиани, аспирантами Райс, анализирует короткие последовательности этих блоков, чтобы продемонстрировать, что как сильные, так и слабые взаимодействия важны для регулирования потока или движения моторных белков.
«Известно, что эти моторные белки работают вместе, и когда два мотора находятся рядом друг с другом, они взаимодействуют», — сказал Коломейский. «Это относительно слабо, но это взаимодействие. Мы подняли вопрос: какова роль этих взаимодействий в общем сотрудничестве?«Что мы сделали, чего не сделали другие группы, так это трактовали эти взаимодействия термодинамически последовательным образом», — сказал он. «Когда два моторных белка сидят рядом друг с другом, а один уходит, это нарушает взаимодействие. Если они объединяются, они создают взаимодействие.
По сути, это похоже на химическую реакцию».Исследователи применили модель, известную как полностью асимметричный простой процесс исключения, обычно используемый для изучения взаимодействующих частиц в физических, химических и биологических системах. «Мы построили модель линейного трека и моторных белков, которые могут связываться на одном конце, могут двигаться и могут разъединяться на другом конце, и мы добавили тот факт, что, когда один сидит рядом с другим, они могут взаимодействовать», — сказал Коломейский. «Удивительно, но в ходе моделирования мы обнаружили, что отсутствие взаимодействия между двигателями не является оптимальным».Добавляя факторы для учета термодинамического притяжения и отталкивания, исследователи узнали, что моторные белки, воспринимая более широкую картину, приспосабливаются к колебаниям в их жидкой среде, когда они собираются в кластеры, которые замедляют движение или распространяются, чтобы ускорить движение. Сильное влечение или отталкивание со временем уменьшаются; это уменьшает их влияние на поток частиц и предполагает, что промежуточные взаимодействия имеют больший эффект.
Фактически, исследователи были удивлены, обнаружив, что слабое отталкивание приводит к максимальному движению по микротрубочкам и что моторные белки более чувствительны к притяжению, чем к отталкиванию. Они обнаружили, что сильные притяжения приводят к скоплениям, которые останавливают двигатели на своем пути, потому что отдельные частицы не могут оторваться.
По словам Коломейского, моделирование методом Монте-Карло с использованием до 1000 блоков, что является реалистичным размером для микротрубочки, подтвердило результаты расчетов с меньшими системами.«Мы поняли, что, во-первых, биологические системы могут быть оптимизированы не для максимального потока, а для чего-то еще.
Во-вторых, наша теория показывает, что система очень чувствительна к небольшим изменениям. Другими словами, двигатель может легко подстраиваться под себя. взаимодействия, и двигатели значительно изменяют магнитный поток ».
Коломейский сказал, что новая работа помогает разгадать загадки, которые еще предстоит разгадать в клеточной динамике. «Чем больше мы понимаем фундаментальные особенности этих биологических явлений, тем лучше для нас», — сказал он. «Это маленькая часть огромной головоломки».