Цивилизация
Исследования закономерностей жизнедеятельности микроскопических организмов, таких как клетки дрожжей, как оказалось, не только интересны с точки зрения фундаментальной науки, но и могут принести серьезную практическую пользу. Из-за того что генетически между клетками дрожжей и клетками нашего тела гораздо больше сходства, чем можно предположить, такие одноклеточные могут служить живой микролабораторией тех процессов, которые происходят в нашем организме с частотой тысячи раз в секунду.
Так, последнее исследование полового размножения клеток дрожжей, опубликованное в Nature, предлагает не только описание поведения одноклеточных, но и, возможно, прогноз работы клеток нашего организма.
Ученые выяснили, что дрожжевые принимают решение, спариваться ли с только что «встреченным» соседом, в течение одной-двух минут.
А вот закономерности процесса «подготовки к спариванию» могут помочь понять, как развиваются в организме человека раковые клетки и стволовые клетки.
Дрожжи – особая группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких средах, богатых органическими веществами. Однако, в отличие от бактерий, клетки дрожжей относятся не к прокариотам, а к эукариотам, то есть содержат оформленное клеточное ядро. В 1996 году дрожжи Saccharomyces cerevisiae стали первым эукариотическим организмом, чей геном (12 млн пар оснований) был полностью секвенирован (расшифрован). Пользуясь простотой строения и вместе с тем большим сходством дрожжевой клетки с клетками более сложных организмов, ученые зачастую используют их в качестве модельных систем для изучения закономерностей функционирования клетки.
Чаще всего дрожжевые клетки размножаются вегетативно (бесполо) с помощью почкования, когда материнская клетка попросту делится с образованием дочерних клеток, полностью ей идентичных. Однако в некоторых случаях дрожжи способны к половому размножению. В этом случае спариваться должны две разнополые клетки – они соединяются, обмениваются генетическим материалом и снова разъединяются. Чтобы начать спаривание, одноклеточные должны немного модифицировать свое строение, образовав на поверхности специальный узелок, позволяющий им слиться. Этот процесс занимает обычно до двух часов.
Однако как организмы принимают решение, подходит ли им партнер для спаривания или нет? Выяснилось, что их действиями руководит химия: клетка говорит «да», если встреченная клетка противоположного пола вызывает химическую модификацию одного из белков.
При этом реакция внутри клетки происходит очень быстро: структура белка меняется в течение двух минут после того, как организм «почувствовал» феромон, произведенный клеткой противоположного пола.
Чтобы запустить процесс спаривания, необходима некая критическая концентрация феромона в окружающей клетку среде. Если эта концентрация не достигнута, клетка «не видит» партнера и предпочитает бесполый путь размножения.
«Образование узелка, необходимого для спаривания, — очень энергозатратный процесс. Мы считаем, что запуск процесса спаривания только при достижении определенной концентрации феромона в окружающей среде является некоторой страховкой для клетки, способом экономии энергии. Клетка начинает энергетически невыгодную подготовку к спариванию только тогда, когда чувствует, что партнер расположен достаточно близко и также готов к спариванию», — пояснил один из авторов работы — Вахид Шахрезай из Университетского колледжа Лондона.
Чтобы показать механизм запуска процесса спаривания, ученые разработали сложную математическую модель на основе данных о концентрации феромонов вокруг клетки, концентрации различных белков, необходимых для спаривания, внутри клетки и информации о том, как прочно эти белки связаны друг с другом. Применение этой модели не ограничивается «жизнью дрожжей». Ученые предлагают с ее помощью изучать «ключи», запускающие серьезные изменения в других клетках, например «перепрофилирование» стволовых клеток в клетки сердечной мышцы или костной ткани. Также к подобным процессам относится и перерождение обычных клеток в раковые. В первом приближении такая модель имеет право на существование: клетки млекопитающих и клетки дрожжей содержат ряд одинаковых белков, совместная работа которых запускает цепную реакцию «принятия решения» в клетке. В перспективе разработанная модель может применяться и медиками для разработки новых лекарств и методов лечения.