Ученые Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) использовали малую синтетическую молекулу в качестве стимула для миграции и изменения формы клетки, минуя обычный для клеток способ восприятия и реакции на окружающую их среду. Благодаря этой разработке биологи получили новый инструмент для изучения движения клеток – явления, сопряженного с множеством процессов в живом организме – от развития и иммунитета до метастазирования раковых опухолей.

«Нам удалось использовать синтетические молекулы таких размеров, которые позволяют им проскальзывать внутрь клетки и активировать химическую реакцию, управляющую клеточным движением, минуя большинство шагов на пути к этой реакции», – объясняет Андрей Левченко (Andre Levchenko), PhD, профессор Института клеточной инженерии (Institute for Cell Engineering) Школы медицины Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University School of Medicine). «В результате мы создали новую модель для описания одного из наиболее фундаментальных и важных клеточных процессов и лучшего понимания движения клеток, играющего решающую роль в прогрессии рака и иммунных реакциях».

Как и живущие в капле озерной воды бактерии, многие виды клеток человеческого организма обладают способностью к миграции. К клеткам с такими свойствами, в частности, относятся фибробласты, постоянно патрулирующие кожу и занимающиеся ее восстановлением, клетки иммунной системы, устремляющиеся к очагу инфекции, а также нейроны, которым, чтобы достичь места постоянной локализации, сначала нужно преодолеть огромные по клеточным меркам расстояния. Оторвавшись от первичной опухоли, раковые клетки мигрируют в другие органы и ткани – печально известный процесс метастазирования.

Благодаря важнейшей роли в развитии онкологии и в иммунитете миграция клеток – горячая область исследований. Однако естественный процесс стимулирования движения изучать очень трудно из-за его необычайной сложности и многоступенчатости: сигнальные белки должны связаться с рецепторными молекулами на поверхности клетки и заложить тем самым начало сложной цепной реакции, которая в конечном итоге и создаст стимул, определяющий движение клетки в том или ином направлении. Кроме сложности сетей молекулярных взаимодействий есть и еще одна трудность – клетки решают, в каком направлении перемещаться, путем сравнения концентрации сигналов в окружающей их среде.

Чтобы направить клетки по градиенту концентрации,
ученые использовали чип с крошечными дозирующими
жидкость каналами. (Фото: Benjamin Lin)

«Стимулировать клетки по-разному с разных сторон – далеко не простая задача, потому что клетки невероятно малы – около одной десятой толщины человеческого волоса», – поясняет профессор Левченко.

Для решения первой проблемы лаборатория Левченко объединила усилия с исследовательской группой своего коллеги по Школе медицины Таканари Иноуэ (Takanari Inoue), PhD, и воспользовалась разработанным им новым методом, основанным на способности одной из малых молекул проскальзывать между жировыми молекулами клеточной мембраны и таким образом попадать в клетку. Оказавшись внутри, эта молекула связывается с двумя незначительно модифицируемыми белками сети, стимулирующей движение, и новый комплекс из трех молекул становится триггером активации важнейшего белка Rac, находящегося где-то в середине цепной реакции, приводящей к движению. Проанализировав, какие из ферментов в цепной реакции в конечном итоге были активированы синтетической молекулой, а какие нет, ученые смогли сказать, были ли они «ниже» или «выше» по отношению к Rac, и пришли к выводу, что Rac может служить отправной точкой в определении полярности клетки.

Чтобы создать очень незначительную разницу в биохимическом градиенте этой синтетической молекулы по разные стороны клетки и таким образом стимулировать ее перемещение в определенном направлении, исследователи разработали силиконовый чип с крошечными дозирующими жидкость каналами. Заполнив каналы раствором, содержащим синтетические молекулы, и поместив клетки на поверхность чипа, можно создать более мощный стимул по одну из сторон клетки и заставить ее перемещаться.

«Так, как это сделали мы, еще не использовались ни синтетические молекулы, ни микрофлюидные устройства, и результаты превзошли все наши ожидания», – комментирует свою разработку профессор Левченко. «Реакция клеток очевидна – они перемещаются в предусмотренном направлении и изменяют форму».

Помимо того, что ученые получили новый мощный инструмент для изучения механизмов миграции клеток, это большой шаг вперед в только начинающей развиваться области – синтетической биологии.

«Если ученому нужно вырастить новую ткань для трансплантации, ему очень понадобится сигнал, обеспечивающий миграцию и скопление клеток», – заключает Левченко.

Статья об исследовании Synthetic spatially graded Rac activation drives cell polarization and movement опубликована в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.