Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

На базе такой платформы мы могли дегидратировать и регидратировать полученную мембрану. Как и ожидалось, монослои исключительно из «обычных» липидов не выживали при высушивании. Зато монослои, почти полностью состоящие из микобактериальных трегалозных липидов, после дегидратации и регидратации оставались невредимыми и даже сохраняли текучесть. Но примечательнее было то, что монослои из смеси обычных и трегалозных липидов выдерживали обезвоживание, пока содержание трегалозных форм в них не падало ниже 25 %. Иными словами, даже находясь в меньшинстве, трегалозные липиды обеспечивали устойчивость мембраны к дегидратации. Вместе с коллегами из лаборатории Бертоцци мы пошли еще дальше: в частности, Дэвид Рабука создал синтетические липиды: их головка содержала трегалозу, а вот хвостовые цепочки были как у других, стандартных липидов. (У природных микобактериальных липидов гигантские гидрофобные хвосты. Можно было предположить, что их цепочки как-то по-особому переплетаются, и именно благодаря такой запутанности, а вовсе не трегалозе, консервируются мембраны.) Эти химерные молекулы спасали мембраны от обезвоживания не хуже микобактериальных липидов, что указывало на саму трегалозу как защитный фактор. Такой результат удовлетворил наших коллег, меня и мою зарождавшуюся исследовательскую группу9.
Очевидно, возбудители туберкулеза и лепры нашли хитрый и надежный способ сопротивляться стрессу, привязывая сахара к липидам и, разумеется, эксплуатируя самосборку липидов в мембраны для формирования своей поверхности. Можно ли сконструировать еще более устойчивые к иссушению слои, например с несколькими трегалозными остатками на молекулу липида, для решения проблемы хранения биоматериалов? Можно ли разрушать связанную с липидами трегалозу, чтобы бороться с туберкулезом? Не знаю, будущее покажет.
Организация двумерной жидкости
Если вернуться к обычным клеточным мембранам, то двумерная текучесть липидных бислоев создает клетке потенциальную проблему: как ей организовывать свою мембрану, чтобы одни белки кластерировались со своими партнерами, а другие оставались в одиночестве, если мембрана в целом – это жидкость? Можно, например, как делают Т-лимфоциты, связать мембранные белки с внутренним каркасом клетки, рельсы и моторы которого будут направлять их куда надо. А можно выбрать другую тактику, вытекающую из физических свойств самой мембраны и задействующую два типа липидов. Оба формируют текучие бислои, предназначенные для защиты гидрофобных хвостов от воды, но каждый предпочитает окружение себе подобных: липиды А тяготеют к А, а липиды B – к B. Как масло и вода, два типа липидов не смешиваются, однако их сегрегация ограничивается двумерным пространством бислоя. В последние десятилетия XX века ученые поняли, что подобная сегрегация в стандартном наборе мембранных липидов вполне возможна. Гидрофобные хвосты разных липидов могут быть как относительно жесткими, так и относительно гибкими, в зависимости от типа химической связи между их атомами. В случае сочетания липидов с жесткими и гибкими хвостами и холестерина (который в изобилии представлен в клеточных мембранах) формируются бислои, напоминающие коктейль из двух разных составов, сосуществующих друг с другом. Один состав богат холестерином и липидами с жесткими хвостами, другой – липидами с гибкими хвостами. Их сегрегация демонстрирует все признаки фазового разделения, которое физики изучают уже не первый десяток лет, особенно в контексте его зависимости от температуры. Если температура превышает какое-то критическое значение, разные липиды перемешиваются (см. верхний рисунок), а если не достигает его – сегрегируются в соответствии со своими предпочтениями (нижний рисунок).
 
Как и в случае с плавлением ДНК (см. главу 1), переход происходит резко, и аналитический инструментарий, разработанный для небиологических материалов, снова находит применение в живой природе. Обнаруженная картина наводит на мысль, что клетки могли бы использовать это холестерин-зависимое фазовое разделение для организации своих мембран. Разные белки с одинаковыми предпочтениями – любители богатой холестерином фазы и нелюбители – распределялись бы по разным областям. Искусственные мембраны сильно облегчают нам изучение фазового разделения липидов. В лаборатории несложно сконструировать из липидного бислоя сферы размером с клетку и использовать их как инструмент для изучения биофизики мембран и мембранных белков. (Они напоминают мыльные пузыри, но вместо воздуха у них внутри и снаружи вода, а оболочкой служит липидный бислой.) Глядя в микроскоп на мембрану, помеченную разными пигментами, предпочитающими богатые или небогатые холестерином домены, – например, светло-серым и темно-серым, как на рисунке, – мы увидим диски одного цвета в море другого.
Мы быстро поняли, что по этому принципу могла бы происходить пространственная организация в настоящих клетках, но ответить на вопрос, происходит ли она так, сложно до сих пор. В искусственных мембранах богатые и небогатые холестерином домены вырастают до размеров, легко различимых под микроскопом. Более того, понижая и повышая температуру, можно наблюдать, как домены возникают и исчезают. Загадка же в том, что в живых клетках эти домены никто не видит, хотя мы и знаем, что липиды и холестерин, из которых они состоят, ничем не отличаются от используемых в искусственных мембранах. Предполагают, что домены все же существуют, однако компоненты цитоскелета ограничивают их площадь несколькими десятками нанометров, в то время как волновая природа света не позволяет нам видеть структуры размером меньше нескольких сотен нанометров. Разумеется, нас эта ситуация не устраивает: утверждение, что объект существует, но наблюдению не поддается, совсем не добавляет уверенности в том, что он действительно существует! Однако интересно, что, химически воздействуя на клетки, можно создать «волдыри» – пузырьки на клеточной мембране, отделенные от цитоскелета10. В них уже явно различимы липидные домены, демонстрирующие все признаки фазового разделения жидкости, о чем в 2007 году впервые сообщили Уотт Уэбб и его коллеги из Корнеллского университета.
Эксперименты с пузырьками придали веса гипотезе о том, что в настоящих мембранах действительно происходит фазовое разделение. И все же можно было возразить, что в эксперименте мы подвергали мембраны жесткому воздействию и потому не вправе отождествлять с природными. Недавно ученые заметили у дрожжевых клеток крупные домены в мембране, ограничивающей органеллу под названием вакуоль11. В Вашингтонском университете группа под руководством Сары Келлер выявила, что в живых дрожжевых клетках эти мембраны демонстрируют признаки фазового разделения: самым показательным было образование доменов лишь при падении температуры ниже критической отметки. Любопытно, что дрожжевые клетки, по всей видимости, используют такие домены для расщепления накопленных жиров, когда нет доступных сахаров: именно там концентрируются необходимые для этого белки12. Пока неясно, обращаются ли другие клетки к подобным стратегиям, но гипотеза о том, что клетки используют принцип фазового разделения жидкости в организации своих мембран, все больше кажется не только изящной, но и верной.
Структура мембран и самосборка
Представление о клеточных мембранах как двумерных жидкостях, существующих благодаря самоорганизующемуся липидному бислою, укрепилось в 1970-х после нескольких десятилетий изучения природы биологических мембран13. Архитектура липидного бислоя поразительно изящна: она не только объясняет многие аспекты поведения мембран, но и показывает, что поведение это вытекает из простых физических взаимодействий. Кажется, что в силу огромной биологической значимости мембран клетки должны тщательно контролировать расположение липидов и создавать выверенные химические связи, чтобы удерживать их вместе. Но это не так: липиды могут действовать на свое усмотрение, подобно тому как капля масла, плавающая в воде, может принять форму хоть куба, хоть лучистой звезды. Но капля предпочитает быть сферой – просто потому, что такая форма минимизирует площадь соприкосновения масла с водой. Так и липиды выстраиваются в бислой просто потому, что такая форма сводит к минимуму контакт их гидрофобных хвостов с водой. Клетке не нужно задействовать гены, чтобы подтолкнуть липиды к формированию бислоев, липиды это делают сами. (Клетке нужны гены белков, синтезирующих молекулы липидов, однако уже созданные липиды способны к самоорганизации.)