Миллиард реакций в секунду в клетке, где молекулы почти не двигаются. Как это вообще работает?
В учебниках биологии клетку часто рисуют так, будто внутри у неё порядок и свободное пространство. Ядро спокойно лежит в центре, вокруг него аккуратно уложена эндоплазматическая сеть, рядом отмечены аппарат Гольджи и вакуоли, рибосомы расставлены как по линейке, а цитозоль почти пустой и прозрачный. Концепция удобная для ленивых студентов, но не очень верная. Внутри живой клетки тесно, шумно и постоянно что-то движется.
Эта теснота долго оставалась скорее идеей, чем измеряемой величиной. Проблема не в том, что учёные не подозревали плотную упаковку молекул, а в том, что трудно заглянуть внутрь клетки в тканях живого организма и понять, как там реально двигаются частицы. Клетку в чашке Петри изучать проще, но условия там другие. Сдвиг произошёл, когда микроскопия научилась устойчиво работать с живыми объектами, а генетическая инженерия дала возможность сделать внутри клетки заметные маячки и отслеживать их перемещение. Тогда выяснилось, что клеточная среда гораздо более плотная и изменчивая, чем предполагалось.
Недавно группа биофизиков решила проверить это напрямую: не в изолированных образцах, а в живом организме. Исследователи встроили в клетки специальные флуоресцентные белковые частицы сопоставимого с рибосомами размера и начали отслеживать их движение под микроскопом. Работа впервые позволила количественно измерить, насколько плотной на самом деле является цитоплазма в тканях живого организма.
Почему вообще так важно, насколько тесно внутри клетки? Потому что жизнь клетки целиком держится на химии. Оценки доходят до того, что в каждой клетке нашего тела каждую секунду может происходить порядка 1 000 000 000 биохимических реакций. Реакции идут только тогда, когда нужные молекулы встречаются. На таких масштабах физика начинает диктовать правила: скорость встреч зависит от того, как быстро и как далеко частицы могут перемещаться в цитоплазме.
Но тут есть важная оговорка. Всё это наблюдали в дрожжах и в человеческих клетках в культуре . Культура – это удобная модель, но она не равна ткани живого организма. В живом теле клетки встроены в механическую среду, испытывают давление соседей, получают сигналы от тканей, работают в другом режиме обмена веществ. Поэтому следующий шаг был очевиден: проверить, работает ли та же логика в организме.
Для этого взяли прозрачного модельного червя Caenorhabditis elegans . Он удобен тем, что через его ткани можно наблюдать флуоресценцию прямо в живом животном. Встроить GEMs в клетки червя оказалось непросто: нужно было добиться, чтобы животное стабильно производило эти частицы, а затем научиться правильно снимать и обрабатывать изображение, чтобы измерения отражали реальное движение, а не ошибки съёмки. В итоге частицы удалось увидеть в клетках кишечника и кожи.
И там произошло самое неожиданное. Внутри клеток червя частицы почти не двигались. По измерениям цитоплазма оказалась примерно в 50 раз более заполненной рибосомами, чем у клеток, выращенных в культуре. Эти измерения и наблюдения легли в основу исследования, опубликованного в сентябре 2025 года в Science Advances. По описанию, в культуре среда напоминает мёд, а цитоплазма в тканях червя больше похожа на очень густое варенье. Здесь начинается главный вопрос: если внутри так вязко и тесно, как молекулы вообще находят нужных партнёров для реакций?
Дальнейшие наблюдения подсказали, что дело не только в количестве рибосом. Частицы GEMs застревали не равномерно, а сильнее в отдельных областях клетки. Когда нарушили работу белка ANC-1, частицы стали двигаться заметно свободнее. По описанию, ANC-1 работает как внутренний каркас, то есть помогает удерживать структуру и организовывать пространство цитоплазмы. Из этого сделали практический вывод: клетка может регулировать тесноту двумя путями. Первый путь – это менять число крупных комплексов, прежде всего рибосом. Второй путь – это менять геометрию и внутреннюю архитектуру, как устроены перегородки, опоры и маршруты внутри цитоплазмы. Для тканей это особенно важно, потому что клетки там живут не в одинаковых условиях, и им выгодно не столько раздвигать молекулы, сколько организовывать движение так, чтобы нужные компоненты быстрее встречались в нужных местах.
После публикации работы метод начали расширять. Частицы GEMs стали использовать не только в коже и кишечнике червя, но и в нейронах и других типах клеток, включая стареющие и патологические состояния. Цель там практичная: собрать базовую карту физических свойств цитоплазмы по разным тканям, чтобы видеть, где теснота выше, где ниже, и как она меняется при болезни или старении. Параллельно начали переносить метод на другие модельные организмы, в числе них называют данио-рерио.
По мере накопления таких данных картинка становится сложнее, чем идея одного универсального оптимума. Диапазон тесноты внутри клеток оказался шире, а разные ткани, судя по всему, выбирают разные значения под свои задачи. И это выглядит логично даже без сложной математики. Мышечная клетка постоянно сокращается и расслабляется, ей нужны одни механические свойства. Жировая клетка в основном хранит энергию, у неё другой режим работы, и ей может быть выгодна другая вязкость и другая степень заполнения.
Дальше исследователи подключили органоиды. Это трёхмерные структуры, выращенные в лаборатории так, чтобы они напоминали ткани и органы. Органоиды отличаются от клеток в чашке тем, что там есть объём, слои и более реалистичная геометрия. Поэтому их рассматривают как промежуточную модель между культурой и живым организмом. GEMs начали внедрять в органоиды опухолей поджелудочной железы и искать биофизические отличия, которые могли бы отделять раковые клетки от здоровых по тому, насколько по-разному устроена и насколько по-разному движется их цитоплазма.
С раком этот вопрос связан не случайно. Опухоли заметны на ощупь как уплотнения, потому что меняется механика ткани. Когда клеточная масса растёт, клетки сдавливаются, им становится теснее. Это должно менять физические свойства клеток изнутри, включая подвижность молекул и то, насколько свободно протекают реакции. Поэтому измерения тесноты и вязкости могут дать дополнительный способ описывать различия между состояниями клеток, особенно если сравнивать не только маркеры, но и физику среды.
В итоге вся история сводится к простому, но неприятному для учебников факту. Реальная клетка внутри организма живёт в очень плотной среде, и эта плотность не просто данность. Клетка меняет число рибосом через системы, завязанные на питание и рост, и дополнительно настраивает внутреннюю архитектуру с помощью каркасных белков. А главное, результаты, полученные на клетках в культуре, нельзя автоматически считать описанием того, что происходит в тканях. Следующий практический шаг, который уже делают, – это собирать подробные карты внутреннего строения по разным типам клеток и проверять, как эти параметры сдвигаются при старении и болезнях.
