Фізика живої клітини

0
4

В останньому випуску журналу «Nature Physics» опублікована добірка оглядових статей про біофізику клітини. З цієї величезної області були виділені лише чотири конкретні теми: біомеханіка живої клітини, фізика вірусів, динаміка (природних) нейронних мереж і моделювання фолдинга білків.

Вся добірка знаходиться у вільному доступі; можна завантажити у вигляді єдиного файлу pdf або читати окремі статті. Ось їх короткий переказ.

Біомеханіка клітини. Про живу клітину зазвичай розповідають з точки зору біології: як вона ділиться, як харчується, як помирає, які в ній відбуваються біологічні процеси, загалом — як вона живе. Але життя — життям, а клітка, крім цього, є ще й суто матеріальним об’єктом: зі своїми механічними і електричними властивостями, зі своїми неравновесно-термодинамічними процесами всередині неї.

І тут, виявляється, є купа цікавих з точки зору фізики тим для вивчення. Можна взяти, наприклад, вискоэластические (тобто пружно-текучі) властивості клітини, які описують те, як клітина піддається на зовнішній механічний вплив. Виявляється, ці властивості не якісь довільні, а спеціально адаптовані для більш ефективної роботи клітини. Більше того — клітини можуть самі налаштовувати їх. Наприклад, клітини на колагенову підкладці чіпляються за неї по-різному залежно від пружності підкладки і в залежності від зовнішніх сил, її деформуючих. Прикладаючи зовнішню силу до підкладки, ми локально її розтягуємо; клітка це відчуває через свої механічні контакти, цей сигнал передається в клітку і вона модулює експресію тих чи інших білків. Виникає білковий відповідь на зовнішній вплив, який може міняти механічні властивості клітини — наприклад, збільшує її жорсткість клітини в сотню разів або ж різко послаблює її «липкість».

Ця «гра з кліткою» виключно важлива для розуміння поширення ракових пухлин. Зараз передбачається, що в ракових клітинах, може запускатися такий механізм, при якому клітина у відповідь на гомеостатичний тиск, який чиниться діляться клітинами-сусідами, різко втрачає свою липкість, відчіплюється від сусідів і розноситься по організму — тобто утворює метастази.

Механічний відгук контрактильной клітини пухлини у відповідь на механічне вплив, викликаний лазерним імпульсом. Джерело малюнка.

Детальніше про біомеханічні зміни в ракових клітинах написано в іншій статті з добірки. Серед іншого там описується нещодавню пропозицію вимірювати біомеханічний відгук клітин з підозрілих новоутворень для раннього виявлення ракового переродження. У багатьох випадках ракові клітини набагато м’якше звичайних, і це можна помітити з допомогою досить простого і швидкого тесту. Такий тест можна було б застосовувати для широкого скринінгу ракових захворювань.

У статті «Фізична вірусологія» описуються механічні властивості вірусних частинок, а точніше капсида — зовнішньої білкової оболонки вірусу. Експерименти по продавлюванню капсида на атомно-силових мікроскопах показують, що для його опису можна застосовувати моделі з області звичайного матеріалознавства. У капсиде можна помітити навіть явище «втоми матеріалу», з яким людині регулярно доводиться стикатися в повсякденному житті. Насправді, навіть дивно, що макроскопічні моделі з матеріалознавства так добре працюють для нанометрових об’єктів.

Результат продавлювання капсида атомно-силовими методами. Джерело малюнка.

В огляді «Самовозникающая складна нейронна динаміка» розповідається про те, як «виглядає» з погляду статистичної фізики загальна картина спонтанної (тобто не стимульованої) активності в головному мозку людини. Виявляється, ця активність не безладно і не циклічна; в ній спостерігаються неритмические коливання, характерні для так званого критичного стану (цей приклад був би дуже в тему в книжці Філіпа Болла «Критична маса»). Характерною особливістю критичного стану є відсутність якихось жорстких часових і просторових масштабів. Все змінюється і коливається і на малих відстанях, і на масштабах всього мозку; на коротких і тривалих часах.

Закон розподілу розміру «лавин нейронного збудження в нейронних мережах в експериментах з різним числом електродів. Джерело малюнка.

До речі, є такий нейрофізіолог Дьордь Бужаки (Gyorgy Buzsaki) і у нього є популярна книжка «Ритми мозку». У ній, крім іншого, він висловлює таку спекулятивну думку з приводу того, що таке (з точки зору фізики!) свідомість людини, тобто відчуття власного «я», відчуття того, що «я мислю». Він каже, що у тварин немає такого безмасштабного патерну спонтанної мозкової активності, як у людини. На його думку, саме ця безмасштабная безперервна активність, яка гуляє по мозку, може якось «помічати саму себе». І тоді вона відчувається нами як самоусвідомлення. Це все, звичайно, дуже спекулятивно, але цікаво те, що нейрофізіологія в принципі може тестувати такі гіпотези; це вже не просто фантазії, а щось, що перевіряється. І це, звичайно, дуже цікаво!

Остання стаття зі збірки «Труднощі моделювання фолдинга білків», що розповідає про нелегку долю обчислювачів, які з перших принципів (тобто взаємодії атомів і молекул) намагаються вирахувати, у що саме згорнеться той чи інший білок [Update: див. у коментарях більш акуратні пояснення від фахівців]. Головна світла мрія в цьому напрямку — навчитися обчислювати біологічну функцію тієї чи іншої молекули, виходять з чистою атомної фізики. Це винятково складна обчислювальна завдання, і як її спростити і чи можна це зробити взагалі — абсолютно незрозуміло. Я тут дам лише пару посилань на популярні нариси про недавні роботи: Миллисекундный бар’єр узятий! і Допомагати науці можна граючи (до речі, класна штука за посиланням, рекомендую погратися).

І наостанок, якщо для вас словосполучення «обчислити життя» звучить занадто фантастично, почитайте мій старий пост про одну цікаву новину.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here