Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир: читать начало книги онлайн

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.

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.

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.)

Как и при фолдинге белков, здесь мы наблюдаем в действии крайне эффективный принцип самосборки: простые физические требования движут формированием структуры, позволяя молекулам самим выстраиваться в нужном порядке. Эксплуатация самосборки не только удобна природе, но и полезна в качестве примера для всех, кто природу изучает: этот феномен свидетельствует, что жизнь не обязательно устроена так замысловато, как кажется на первый взгляд, и в основе биологической сложности вполне может лежать физическая простота.

Итак, мы познакомились с важнейшими молекулами, из которых состоят все организмы на Земле: ДНК, РНК, белками и липидами. Это, конечно, не полный набор ингредиентов жизни – важный вклад в нее вносят ионы, сахара, гормоны и другие молекулы, – но характеристики этой группы универсальных компонентов сообщают нам многое о том, как устроена жизнь и как в живой природе кодируется информация. Выстраиваясь и взаимодействуя множеством разных способов, эти молекулы порождают все многообразие жизни вокруг нас. Мы продолжим изучать разные типы биологических структур и физические силы, которые задают рамки при их формировании, но сначала погрузимся в важную биофизическую тему, до этого затронутую лишь вскользь, – поговорим о предсказуемой случайности.

Глава 6. Предсказуемая случайность

Ничто никогда не пребывает в покое. Все наши картинки белков, ДНК и любых других молекул принципиально нереалистичны. Так, например, любой липид нужно изображать размытым в движении, а не замершим на месте.

В движении пребывают не только биологические молекулы. Если я решу изучить под микроскопом плавающий в воде стеклянный шарик размером с бактерию, то за несколько секунд он преодолеет расстояние, в несколько раз превышающее его диаметр. Его перемещения обусловлены не течениями в воде и не неровностью предметного столика микроскопа. Это неизбежный естественный танец, который исполняют все тела. Такое движение, вытекающее из фундаментальных физических законов, служит фоном для всех природных процессов – фоном, глубоко чуждым нашей макроскопической интуиции и управляемым, по сути, случайностью. Как ни парадоксально, в этом хаосе есть структура, и многие механизмы жизни можно понять, вскрыв взаимосвязи между случайностью и предсказуемостью в мелкомасштабном мире.

Непрерывный танец малых частиц называют броуновским движением: его наблюдал и описал в 1827 году ботаник Роберт Броун. Изучая под микроскопом пыльцевые зерна полевых цветов, Броун заметил, что они постоянно пребывают в движении. Это движение беспорядочно: в среднем зерна совершают одинаковое количество перемещений вправо и влево, вверх и вниз, но при этом меняют направление движения без какой-либо закономерности. Такую динамику под микроскопом наблюдали и раньше, но Броун установил, что это движение обусловлено не живым началом, не биологической природой участвующих в нем элементов, не течениями в окружающей их жидкости и не потоками от испарения этой жидкости, а скорее универсальными законами физики. Например, чтобы проверить, не порождается ли движение испарением, Броун смешал масло с водой, содержащей пыльцу, и взболтал получившийся состав: масло теперь защищало воду от испарения, но зерна пыльцы все равно хаотично перемещались.

Броун выяснил, что все беспрестанно колеблется и блуждает. Но почему? Что побуждает к этому микроскопическому движению? Без ответа мы оставались не один десяток лет, пока в самом начале XX века Альберт Эйнштейн в Швейцарии, Мариан Смолуховский в Польше и Уильям Сазерленд в Австралии независимо друг от друга не нашли простое, понятное и точное объяснение1. Первый шаг в нужном направлении они сделали тогда, когда решили всерьез рассмотреть собранные в XIX веке (преимущественно химиками) косвенные свидетельства того, что вещество состоит из отдельных единиц, атомов. Сегодня это кажется банальным – мы ведь так привыкли говорить об атомах и молекулах, – а в начале XX века представление о веществе как совокупности дискретных строительных элементов, а не как о бесконечно делимом континууме считали спорным и признавать не спешили. Эйнштейн и остальные отметили, что множественные беспорядочные столкновения молекул воды с броуновскими зернами или моими стеклянными шариками вызвали бы ровно такое движение, какое наблюдали в экспериментах.

Следующим шагом стало выяснение роли температуры в этом процессе. Температуру в грубом приближении можно считать мерой пронизывающей нас тепловой энергии. Чем выше температура, тем больше тепловой энергии у тела. Эйнштейн, Смолуховский и Сазерленд поняли, что сочетание движущей силы тепловой энергии с вязкостным сопротивлением, создаваемым жидкостью, которая окружает тело, позволяет построить прогностическую модель случайного движения, идеально соответствующую экспериментальным наблюдениям. Более того, лежащие в ее основе законы универсальны и неизбежны, и где есть температура, есть и беспорядочное движение. (Покой наступает только при недостижимом абсолютном нуле, –273,15 °C.) Чтобы оценить биофизический смысл этой модели, нам нужно поточнее описать броуновское движение. Мы назвали его беспорядочным. Тем не менее оно постижимо.

Допустим, вы 10 секунд идете по прямой и преодолеваете расстояние в 9 метров. Вас, конечно, не удивит, если за 20 секунд вы пройдете 18 метров, за 100 секунд – 90 и так далее. Мы говорим, что расстояние пропорционально времени: чтобы вдвое увеличить пройденное расстояние, нужно вдвое увеличить время ходьбы. График зависимости расстояния от времени представляет собой прямую, а угол ее наклона отражает вашу скорость (в нашем случае – около метра в секунду).

Если зарисовать пути, которые мой блуждающий микроскопический шарик мог бы пройти за 10 секунд, мы получим всевозможные запутанные траектории. Ни маршрут шарика, ни конечную точку его пути невозможно спрогнозировать. Его движение случайно.

Но с этой случайностью сосуществует своего рода предсказуемость. Я не могу заранее сказать, какой стороной упадет подброшенная монетка, но знаю, что если подбросить ее много раз, то примерно в половине случаев выпадет решка, а в половине – орел. Точно так же и со статистикой броуновского движения: если я понаблюдаю за несколькими десятками 10-секундных скитаний шарика, который всякий раз движется от центра страницы, и отмечу конечную точку каждого его пути, у меня получится набор точек типа темного облака, изображенного на рисунке.

Хотя конечные положения случайны, среднее расстояние от начальной точки четко определено. Каким образом оно зависит от времени в пути? Если вы сейчас испытываете дежавю, отлично! По сути своей это эквивалентно вопросу о размере клубка ДНК из главы 3. Там мы узнали, что случайное блуждание на N шагов в среднем оканчивается на расстоянии N2 шагов от начальной точки. Здесь же в каждое мгновение бомбардировки атомами жидкости наша броуновская частица получает случайный толчок, заставляющий ее «шагнуть» в случайном направлении. Следовательно, в среднем расстояние, которое проходит частица, пропорционально квадратному корню времени ее движения. График зависимости типичного расстояния от времени здесь представляет собой уже не прямую, а изогнутую линию.

Если частица будет двигаться в четыре раза дольше, в среднем она будет проходить лишь вдвое большее расстояние. Чтобы переместиться в среднем в три раза дальше, ей нужно двигаться в девять раз дольше.

Помимо времени броуновское движение зависит и от размера частицы. Это логично: мы ведь утверждали, что беспорядочное движение имеет значение для микроскопических частиц, и нам отлично известно, что крупные тела вроде арбузов и мячей не катаются хаотично по полу ни с того ни с сего. Все частицы в среднем смещаются на расстояние, которое увеличивается пропорционально квадрату времени, но у мелких частиц это увеличение больше, чем у крупных. Все частицы получают одинаковый толчок от внешней тепловой энергии, но мелкие частицы реагируют на него сильнее.