Диффузия молекул в бактериальных клетках

Биологи из Принстонского университета, проследив за перемещением отдельных молекул мРНК внутри живой бактерии, выяснили, что процесс их диффузии вовсе не похож на обычное броуновское движение.

Известно, что все биологические молекулы в клетке – нуклеиновые кислоты, белки и т.д. – cинтезируются в строго определенных местах и затем перемещаются к «месту назначения», туда, где они должны выполнить свою специфическую функцию.

В высокоорганизованных клетках эукариот имеются разнообразные структуры, оптимизирующие этот процесс перемещения, — внутриклеточные мембраны и цитоскелет, служащий не только механической опорой клетке, но и направляющий внутриклеточные «транспортные потоки». В клетках прокариот ничего подобного нет, поэтому до сих пор считалось, что в них перенос макромолекул происходит за счет самой обыкновенной диффузии, когда молекулы, синтезированные в каком-либо месте клетки, «разбредаются» из него со скоростью, пропорциональной квадратному корню из времени. Однако в сильно неоднородных средах процесс диффузии может значительно замедляться.

Чтобы проверить, подтверждается ли обычный закон диффузии при движении макромолекул в клеточной цитоплазме, сотрудники биологического факультета Принстонского университета Идо Голдинг (Ido Golding) и Эдвард Кокс (Edward Cox) разработали оригинальную методику слежения за отдельными молекулами мРНК в бактерии Escherichia coli. Одновременно с транскрипцией мРНК они с помощью специальных добавок включали синтез специфического флуоресцирующего белка, который связывался с молекулами мРНК по мере их синтеза. При малых скоростях транскрипции им удавалось получить буквально одну-единственную мРНК и «посадить» на нее несколько флуоресцентных белков. В результате этого мРНК становилась менее активной, а значит, более долгоживущей, и путешествовала по клетке по крайней мере в течение часа. Белок же, ярко светившийся при облучении ультрафиолетом, позволял следить за перемещениями отдельных молекул в обычный микроскоп.

Результаты наблюдений доказали, что диффузия мРНК в бактериальной цитоплазме происходит медленнее, чем обычная, – средняя скорость удаления молекул от точки рождения зависела от времени, как корень кубический и сохранялась на протяжении всего времени наблюдения над молекулой: от одной секунды до получаса.

Авторы повторили опыты с колониями бактерий, выращенных под воздействием антибиотиков, а также с бактериями-мутантами с нарушенным синтезом зачатков цитоскелета. Во всех экспериментах молекулы разбредались по цитоплазме всё по тому же закону: t^0,35.

Каковы причины такого поведения молекул, пока доподлинно не известно. Из экспериментов, однако, непосредственно следует, что элементы цитоскелета у бактерий играют незначительную роль в диффузии. По-видимому, всё дело в чересчур концентрированном составе цитоплазмы. Например, один из возможных механизмов замедленной диффузии таков: в процессе диффузии молекулы постоянно натыкаются на менее подвижные препятствия, которые их ненадолго привязывают к себе и затем вновь выпускают. Чтобы выяснить, так это или нет, потребуются дополнительные эксперименты.

Интерес к точному закону диффузии молекул в клетке далеко не праздный. Более медленная диффузия означает, что молекулам требуется существенно больше времени, чем считалось ранее, чтобы достичь цели. Но, достигнув ее, молекулы, в силу того же самого закона, будут дольше находиться рядом с целью, а значит, имеют бoльшую вероятность выполнить «свое предназначение». Обе эти особенности важны для правильного понимания физиологии бактерий.

По материалам: http://elementy.ru