Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Белковые и липидные паттерны связаны и с темой предсказуемой случайности. Текучесть мембран позволяет их компонентам перегруппировываться, но привносит факторы неопределенности потока и неупорядоченности. Ни человек, ни клетка не способны знать наперед, где именно окажется каждый липид или белок, но мы можем прогнозировать усредненно свойства целого ансамбля. Глубинную природу случайности и смысл предсказаний прояснит нам шестая глава.
Конусы, сферы и пузыри
Бислой – не единственная структура, которую могут создавать амфифильные молекулы. Представьте молекулу в форме рожка с мороженым, где шарик мороженого – гидрофильная часть, а палочка – гидрофобная (слева на рисунке). В воде такие молекулы самостоятельно соберутся в сферу, чтобы защитить свои гидрофобные части (справа).
Форма молекулы – ключевой определяющий фактор в самосборке. Большинство липидов в вашем организме скорее цилиндрические, чем конические – их гидрофильные головки и гидрофобные хвосты сопоставимы по ширине, – как раз потому они и группируются в относительно плоский бислой. И все же у небольшой доли клеточных липидов форма отличается от цилиндрической – не настолько, чтобы воспрепятствовать образованию бислоя, но достаточно, чтобы обеспечить изгибание мембраны в сложные структуры.
Вам, возможно, интересно, могут ли амфифилы выстраиваться так, чтобы гидрофильные головки оказывались внутри, а гидрофобные хвосты – снаружи. Да, могут, и вы создаете такие структуры всякий раз, когда пускаете мыльные пузыри.
В оболочке пузыря молекулы мыла выстраиваются по обе стороны от тонкой водной пленки гидрофобными хвостами наружу, к воздуху. На глубинном уровне мыльные пленки и клеточные мембраны схожи – не забывайте об этом, когда моете посуду.
Туберкулез и плотные мембраны
В начале XIX века 30 % смертей в Лондоне вызывал туберкулез4, инфекционное заболевание, которое чаще всего поражает легкие. «Белая чума» поражала и убивала множество людей по всему миру и в первые полтора десятилетия XX века по-прежнему не покидала две верхние строки в списке главных причин смерти в США5. Даже сейчас от туберкулеза умирает около миллиона человек в год6. Эту болезнь вызывает бактерия Mycobacterium tuberculosis. Другая микобактерия, Mycobacterium leprae, вызывает лепру, или проказу, еще один бич человечества, тысячелетиями разъедавший кожу и нервную систему своих жертв, пока не появились современные антибиотики. Микобактерии отличаются потрясающей живучестью. Уже лет 100 мы знаем, например, что M. leprae и M. tuberculosis могут многими месяцами обходиться без воды7. Это озадачивает не только потому, что биохимическая активность клетки немыслима без воды. Если гидрофильные головки липидов не контактируют с водой, то как гидрофильным и гидрофобным взаимодействиям сохранять целостность мембраны и как мембране сохранять целостность бактерии?
Оказывается, у микобактерий очень странные мембраны. Как и у клеток всех остальных организмов, их внутренности ограничены липидным бислоем. Однако снаружи этот бислой покрыт густым гидрофобным гелем, над которым находится еще и монослой липидов, маслянистые хвосты которых направлены внутрь, а гидрофильные головки – наружу. Необычно здесь не только расположение липидов, но и их устройство: у многих молекул к гидрофильным головкам прикреплен сахар трегалоза (на рисунке на него указывает стрелка). Насколько мы знаем, микобактерии и некоторые их близкие родственники – единственные на планете организмы, наделенные трегалозными липидами. Но так ли это важно?
 
Я узнал об этих микобактериальных мембранах лет десять назад, вскоре после того, как основал свою исследовательскую лабораторию в Орегонском университете. К тому времени я уже несколько лет работал с липидными бислоями, в основном измеряя их жесткость и прочие физические свойства, чтобы понять, на что способны эти материалы. Экспериментируя с сахарами и полимерами, я скооперировался с группой химика Каролин Бертоцци, которая тогда работала в Калифорнийском университете в Беркли. По совпадению они тогда интенсивно изучали, как микобактерии создают трегалозные липиды и другие странные молекулы: группа Бертоцци хотела разобраться в выдуманных природой химических инструментах и научиться выводить их из строя, чтобы побеждать болезни. Именно в ходе этого сотрудничества я впервые услышал о трегалозных липидах и сразу же заинтересовался ими, поскольку трегалоза в иных контекстах слыла чуть ли не волшебным сахаром.
Лишь небольшое число организмов, включая некоторые грибы, растения и даже отдельных животных, способны пережить потерю 99 % воды. Так, «воскресающее растение» плаунок чешуелистный (Selaginella lepidophylla) годами выдерживает почти полную дегидратацию, сворачиваясь в плотный коричневатый шарик, который при поступлении воды «оживает», расправляясь в обычную зеленую розетку листьев. У многих из этих организмов есть кое-что общее: они производят трегалозу, часто в огромных количествах. В сравнении с сахарами вроде знакомых нам глюкозы или сахарозы трегалоза менее склонна кристаллизоваться с ростом концентрации, благодаря чему ее молекулам проще взаимодействовать с другими веществами. Кроме того, трегалоза легко формирует водородные связи – те, что скрепляют молекулы воды друг с другом и с разными гидрофильными молекулами: это позволяет сахару в некоторой степени имитировать воду. Но трегалоза, в отличие от воды, не склонна к испарению. Считается, что все эти свойства делают трегалозу фактором устойчивости к иссушению, и ученые ищут способы использовать ее вне организма – чтобы хранить и транспортировать в высушенном состоянии вакцины и биоматериалы типа клеток крови и ценных белков8. Я задумался: а не приспособили ли микобактерии трегалозный инструментарий в связке с липидами для защиты своей клеточной оболочки от обезвоживания? И как же проверить эту гипотезу?
Нельзя было просто отключить у микробов производство трегалозных липидов, а затем проверять их на прочность: о подобных биохимических механизмах микобактерий мы знаем слишком мало, чтобы их менять. Но даже если бы это было в наших силах, я не горел желанием держать в лаборатории возбудителя туберкулеза. (Как мы позже узнаем, моя группа с удовольствием работала с холерными вибрионами, но холеру легко предупредить, сложно подхватить, просто излечить – в отличие от туберкулеза.) Я выбрал другой подход, который уже десятки лет успешно работал с «нормальными» липидными бислоями: воссоздание искусственных бесклеточных мембран на твердых поверхностях. Обычные липиды можно подтолкнуть к формированию бислоев на очень чистых и ровных стеклах. В силу гидрофильности стекла и липидных головок их разделяет водная прослойка толщиной 1–2 нанометра, позволяя бислою сохранять двумерную текучесть. Нам приходится жертвовать долей реализма целостной клеточной мембраны, зато мы получаем удобную контролируемую платформу для изучения биофизики липидного бислоя.
Мы решили попробовать сконструировать аналогичную мембранную платформу, чтобы имитировать небислойную организацию липидов у M. tuberculosis. Сначала мы химически связали гидрофобные молекулы со стеклянными подложками. Отдельно на поверхности воды, заполняющей специальные кюветы, сформировали монослои липидов с торчащими в воздух гидрофобными хвостами и аккуратно перенесли их на стеклянные подложки так, чтобы хвосты связались с уже нанесенным гидрофобным слоем. Наши монослои состояли из вполне распространенных липидов с нужной долей очищенных трегалозных форм. Как и у живых микобактерий, под монослоем с трегалозными липидами у наших искусственных мембран находился плотный гидрофобный слой.