Биофизики обнаружили новый механизм передачи электрического тока в клетках

Многие биологические процессы регулируются электричеством — от нервных импульсов и сердцебиения до перемещения молекул внутрь и наружу клеток.

Исследование, проведенное учеными из Института Скриппса, выявило ранее неизвестный потенциальный регулятор этого биоэлектричества: капельчатые структуры, называемые конденсатами. Конденсаты более известны своей ролью в разделении клетки на отсеки, но это исследование показывает, что они также могут действовать как крошечные биологические батареи, заряжающие клеточную мембрану изнутри.

Исследовательская группа показала, что при столкновении электрически заряженных конденсатов с клеточными мембранами они изменяют напряжение клеточной мембраны, которое влияет на количество электрического заряда, протекающего через мембрану, в точке контакта.

Это открытие, опубликованное в журнале Small, выявляет новую фундаментальную особенность функционирования наших клеток и в будущем может помочь ученым в лечении некоторых заболеваний.

Как конденсаты функционируют в клетках

«Это представляет собой совершенно новую парадигму в области биоэлектричества, имеющую существенные последствия для регулирования электрического тока в биологии и здравоохранении», — говорит Ашок Дениз, старший автор новой статьи и профессор Института Скриппса.

Конденсаты — это органеллы, структуры внутри клеток, выполняющие определенные функции, — но, в отличие от более известных органелл, таких как ядро ​​и митохондрии, они не заключены в мембраны. Вместо этого конденсаты удерживаются вместе за счет сочетания молекулярных и электрических сил. Они также встречаются вне клеток, например, в нейронных синапсах.

Конденсаты участвуют во многих важных биологических процессах, включая компартментализацию клеток, сборку белков и передачу сигналов как внутри клеток, так и между ними. Предыдущие исследования также показали, что конденсаты несут электрические заряды на своей поверхности, но мало что известно о том, как их электрические свойства связаны с клеточными функциями.

Исследование электрических эффектов конденсатов

«Конденсаты можно представить как электрически заряженные капли в клетке, своего рода крошечную батарейку», — говорит первый автор Энтони Гуруниан, аспирант, научным руководителем которого является Дениз, а также доцент и соавтор из Института Скриппса Керен Ласкер.

«Поскольку конденсаты часто могут быть заряжены, мы хотели проверить, могут ли они вызывать изменения напряжения на клеточной мембране».

Если конденсаты способны изменять электрические свойства клеточных мембран, это может иметь серьезные последствия, поскольку многие клеточные процессы контролируются изменениями напряжения клеточной мембраны. Например, ионные каналы — белки, которые быстро транспортируют молекулы через клеточную мембрану — активируются изменениями напряжения клеточной мембраны.

В нервной системе именно этот быстрый однонаправленный транспорт электрически заряженных молекул обеспечивает распространение электрических сигналов между нервами.

Экспериментальный подход и полученные результаты

Чтобы проверить, могут ли конденсаты изменять напряжение клеточной мембраны, исследователи использовали клеточные модели, называемые гигантскими однослойными везикулами (ГУВ). Для визуализации изменений напряжения они окрасили мембраны ГУВ красителем, который меняет цвет в ответ на изменения электрического заряда. Затем они поместили ГУВ в тот же сосуд, что и лабораторно созданные конденсаты, и сфотографировали их взаимодействие под микроскопом.

Они показали, что при столкновении конденсатов и гигантских везикул происходит локальное изменение электрического заряда мембран гигантских везикул в точке их контакта.

«Это один из интересных и новых аспектов, поскольку мембранное напряжение клеток традиционно рассматривалось как свойство более крупного масштаба», — говорит Дениз. «Локальные изменения мембранного потенциала могут иметь важные биологические последствия, например, для функционирования ионных каналов и других мембранных белков, регулируемых напряжением».

Варьируя химический состав конденсатов, исследователи показали, что чем больше электрического заряда несет конденсат, тем сильнее его влияние на напряжение клеточной мембраны. Они также обнаружили, что форма конденсатов, по-видимому, коррелирует с изменениями напряжения.

«В некоторых случаях индуцированное напряжение имеет весьма существенную величину — сопоставимую с изменениями напряжения в нервных импульсах», — говорит Гурунян.

Перспективы и последствия

Исследователи отмечают, что для понимания точных механизмов, посредством которых конденсаты вызывают эти электрические изменения, необходимы дополнительные исследования, а также для изучения влияния этого явления на клеточные функции.

«Теперь, когда мы знаем, что конденсаты могут локально индуцировать эти напряжения, следующим шагом будет проверка того, имеет ли эта новая физика функциональное значение для клеток и организмов», — говорит Дениз.

«Если мы увидим функциональные последствия, это не только откроет нам что-то новое о клеточной биологии, но и может помочь ученым в разработке терапевтических средств в будущем».