На верхней панели приведена фотография картины вихревой решетки в динеин-системе микротрубочек. На нижней панели показано численное моделирование появления картины.
Wandering proteins whirl and swirl
Белки бродят по завитушкам и вихрям
Многопрофильная группа физиков и биологов обнаружила новую систему белков, которые организовываются сами по себе спонтанно в захватывающий узор завитушек и вихрей. Но в отличие от аналогичных систем, изучаемых в прошлом, здесь отдельные белковые молекулы свободно передвигаться по всей картине, а сам узор остается фиксированным. Ученые полагают, что дальнейшее изучение системы может пролить свет на коллективное поведение живых организмов.
Спонтанное, самоорганизующееся коллективное движение объектов, такое разнообразное, как стаи птиц и колонии бактерий уже давно чаруют людей. Ученые, однако, изо всех сил пытались и пытаются понять основные механизмы, которые позволяют сотням, тысячам или даже миллионам инидивидуальностей действовать как единое целое. Часто бывает, что динамика группы не может быть предсказана просто из наблюдения за поведением отдельных членов.
Трудно отделить
Хотя это коллективное поведение в живых организмах является завораживающим, но его чрезвычайно трудно смоделировать математически из-за сложностей механизма, которым живые существа могут взаимодействовать. Они варьируются от одной птицы услышавшей чужой сигнал бедствия до человека, подпавшего под влияние политических идей своего друга. Часто бывает трудно выявить все эти взаимодействия, не говоря уже о том, чтобы отделить их влияние на поведение системы. Более того, проведение интервенционных экспериментов может быть проблематичным, так как многие параметры не могут контролироваться экспериментатором.
К счастью для ученых, самоорганизация не ограничена только живыми организмами. Изучая зачастую более простые неодушевленные системы, возможно взглянуть на коллективное поведение более осязаемо. В 2010 году две исследовательские группы обратили свое внимание на формирование картинок от белковых нитей из актина, которые приводятся в движение моторными белками (движители). Эти нити используются клетками для преобразования химической энергии в кинетическую энергию приведением в движение крошечных нитей белка, как подвесной мотор на катере. При превышении определенной критической концентрации, исследователи обнаружили, что белковые нити на предметном стекло организовались в различные упорядоченные структуры, - волны и спирали.
Завитушки и вихри
Недавно, ученые в Японии рассматривали различные комбинации нити и движителя, и обнаружили, что белки самоорганизовываются в сложные структуры завитушек и вихрей при помещении их на стекло. Исследование представляет собой важную новую демонстрацию сложного поведения, возникающего в простой системе.
Новое исследование является результатом сотрудничества с участием Ютака Сумино (Yutaka Sumino) из педагогического университета Айчи, Кен Нагаи (Ken Nagai) из Университета Токио, Казухиро Ойа (Kazuhiro Oiwa) из передового научно-исследовательского центра в Ойа (Oiwa), Гуго Шатэ (Hugues Chaté) во Франции и их групп. Исследователи использовали различные виды белковой нити, называемой микротрубочка, и различные типы белковых движителей, называемых динеин. Как и с актином, они обнаружили, что когда плотность движительных белков, была достаточно высокой, нити самоорганизовывались в узоры. Однако, в отличие от предыдущих слдучаев с относительно простыми узорами, картина здесь была гораздо более замысловатая, повторяя «решетки» из соседних вихрей.
Принципиально, однако, что в то время как картинка оставалась стабильной, одиночные микротрубочки не зацикливались в одном вихре. Отдельные молекулы бродили по всей поверхности подложки от одного вихря к другому, то вращаясь по часовой стрелке, а то и против часовой стрелки, и все это без нарушения стабильности общего узора. Хотя исследователям и удалось построить компьютерную модель такого поведения, все же еще не ясно, будет ли это поведение результатом определенного свойства молекулярных микротрубочек или этому имеется более общее объяснение.
Не вморожены
Биофизик Андреас Бауш (Andreas Bausch) из Мюнхенского Технического Университета в Германии, руководитель одной из исследовательских групп, которые первоначально и обнаружили структурообразования белковых нитей, просто очарован этим. «Они не являют собой замороженные структуры, как, например те, которые мы наблюдали в прошлом году», объясняет он. «У вас есть постоянный обмен веществом между вихрями и все же они стабильны на очень большом временном масштабе».
Тамас Викшек (Tamas Vicsek) из Университета Этвеша в Венгрии, специалист по теории сложности и автор сопроводительного комментария на статью с описанием работы, считает, что исследование знаменует собой значительный шаг вперед в изучении сложного поведения белковых нитей. «Они наблюдали именно новый этап в изучении коллективного движения, чего не видели раньше», говорит он. «Казалось, что поиски новых моделей исчерпаны, но этот случай показывает, что вся эта система самоходных частиц являет собой гораздо более богатый мир, чем мы предполагали».
Сумино надеется, что работа может однажды послужить основой для понимания теории сложности в более широком плане, чем сегодня. «В нашей модели все, что у вас имеется — это ближнее столкновительное взаимодействие», объясняет он. «В зависимости от системы, иногда есть и более тонкое взаимодействие. Так что если вы думаете о коллективном движении рыб, то это как если бы рыбы имели зрение только в одном направлении. Более подробная информация может быть учтена в последующих моделях.»