Физики разработали модели внутриклеточного и межклеточного транспорта веществ

13:05, 10 марта 2020

Согласно их гипотезе, процессами в клетке управляют квантовые эффекты

По мнению Алексея Мелких, внутриклеточными процессами управляют квантовые эффекты. Фото: Илья Сафаров.

Сотрудники кафедры технической физики Уральского федерального университета профессор Алексей Мелких и доцент Мария Сутормина разработали уникальные, не имеющие мировых аналогов математические модели внутриклеточного и межклеточного транспорта частиц. Статья о работе уральских физиков, приближающей человечество к созданию искусственных клеток, опубликована в журнале Progress in Biophysics and Molecular Biology.

«Следует признать, что пока наука не представляет до конца, как устроена и как работает клетка. Такие сложные внутриклеточные молекулы, как белки, РНК, ДНК, состоят из тысяч атомов. Из колоссального множества вариантов самоорганизации они „выбирают“ такие, чтобы полноценно выполнять свои „обязанности“, очень точно взаимодействовать друг с другом, не допускать путаницы и хаоса. Моя идея заключается в том, что ими управляют квантовые эффекты — особые силы, которые распознают молекулы и направляют их по четко размеченным маршрутам, к заданным целям, именно туда, где надлежит быть молекулам и где они незаменимы. Это напоминает сеть трамвайных рельсов или железных дорог», — поясняет ученый.

Пока это гипотеза, которая ждет экспериментального подтверждения (в своих работах Алексей Мелких описывает, как проводить необходимые эксперименты). Однако многие внутриклеточные процессы, с точки зрения ученого, иначе объяснить невозможно.

Знания об устройстве клеток, полученные с помощью этих моделей, послужат развитию наномедицины, устраняющей патологии организма на уровне клеток и молекул. Еще одна область применения моделей физиков УрФУ — так называемая синтетическая биология, цель которой — создание искусственных клеток.

«В будущем колонии искусственных клеток будут использовать, к примеру, для добычи драгоценных металлов из морской воды или полезных ископаемых в агрессивных средах, в безвоздушном пространстве — на дне Мирового океана, на других планетах. Для этого необходимо понять, как организована клетка, ее деятельность, в частности, транспортная система», — объясняет Алексей Мелких.

Транспортировка веществ (как нейтральных частиц, так и положительно или отрицательно заряженных ионов) внутрь клетки и из нее подобна работе экскаватора или насоса. Причем та или иная белковая структура, встроенная в мембрану (оболочку) клетки и постоянно осуществляющая транспортировку, «настроена» на частицы определенного вещества, например, натрия или калия. И в том объеме, который необходим для нормального функционирования клетки. Для каждого «груза» предназначен отдельный канал или насос. Источником энергии для транспортного механизма является процесс превращения аденозинтрифосфата в аденозиндифосфат.

Объекты моделирования Алексея Мелких и Марии Суторминой — клеточные явления. Ученые пытаются понять, как такие внутриклеточные компоненты, как сократительные вакуоли, участвуют в доставке в клетку воды или как выполняют работу нейротрансмиттеры, отвечающие за перенос электрохимических импульсов от нейрона к нейрону или другой клетке организма. Кроме того, они исследуют, каким образом происходит сборка белковых элементов цитоскелета (каркаса клетки) — микротрубочек и микрофиламентов — и транспорт белков внутри клетки с помощью этих структур или как организована транспортировка веществ посредством плазмодесм — открывающихся и закрывающихся мостиков, которые соединяют соседние клетки растений.

«Нашей научной школе без малого 30 лет. За это время мы построили модели, с помощью которых можно предсказывать поведение многообразных элементов клеток разного размера, устройства и назначения. Спектр наших научных интересов — археи, бактерии, водоросли, растения, животные, человек. Во многих случаях наши модели — единственные в мире, их достоверность подтверждается экспериментами и измерениями наших коллег в России и за рубежом», — рассказывает Алексей Мелких.