Используют ли эти бактерии силы Казимира в своих мембранах?
Do these bacteria rely on Casimir forces in their membranes?

Эффект Казимира, пожалуй, наиболее известное квантовое явление, в котором флуктуации вакуума могут привести к силе притяжения между двумя параллельными зеркалами. Но есть и термодинамический эквивалент, вызванный колебаниями состава жидкости близкой к критической точке. Новые исследования физиков в США предполагают, что эти "критические силы Казимира" действуют на белки внутри клеточных мембран, позволяющих белкам общаться друг с другом и стимулируя ответ клеток на аллергены, такие как пыльца.

Все клетки окружены мембраной, которая контролирует поток вещества в организм и из него. Мембраны состоят из молекул, называемых липидами, в которых встроены белки. Одно время они считались существенно однородными, но ряд экспериментов, начиная с 1970-х и 1980-х годов показали, что липиды в самом деле кластеры для формирования различных структур в десятки или сотни раз больших, чем молекулы липидов сами по себе. Ученые не понимают, однако, откуда приходит энергия, необходимая для поддержания таких структур.

В 2008 году биофизик Сара Витч (Sarah Veatch) из Корнельского университета в штате Нью-Йорк с коллегами нашли решение. Было известно, что выше 25° C мембраны извлеченные из живых клеток млекопитающих существуют в одной жидкой фазе, а ниже этой температуры в них выделяются две фазы, состоящие из различных видов липидов и белков - немного похоже на масло и воду, отказывающиеся смешиваться при слиянии. Группа Витч обнаружила, что когда они снизили температуру мембраны до значения близкого к тому, при котором выделяются фазы, известному как критическая точка, начали появляться небольшие островки (фрагменты) флуктуаций второй фазы. Такие флуктуации - несколько микрон в поперечнике и были видны в оптический микроскоп - не требуют большого количества энергии для возникновения.

Критический взгляд на критичность Витч с тех пор переехала в Мичиганский университет, но продолжала исследования совместно с двумя физиками и Корнельского университета Бенджамином Мачта (Benjamin Machta) и Джеймсом Сетна (James Sethna), чтобы понять суть этой критичности. Исследователи считали, что определенные виды белков связаны с одной из фаз в то время как другие виды связаны со второй фазой. Как объясняет Витч, взаимодействия белков будут формировать "сигнальные каскады" для передачи информации от окрестности клетки через мембрану внутрь клетки. Такая информация может быть использована, например, чтобы решить, целесообразно ли сейчас делиться или может лучше поесть. "Мы считаем, что одной из причин, по которой в клеточных мембранах возникают критические флуктуации, это чтобы облегчить первые шаги на этих сигнальных путях", говорит она.

Чтобы рассчитать силу Казимира между белками, Мачта использовал математику, изначально разработанную для теории струн. Он обнаружил, что, как и ожидалось, силы являются притягивающими для подобных белков и отталкивающими в противном случае, и что они обусловливают потенциальную энергию в несколько раз больше тепловой энергии белков, на расстоянии десятков нанометров. Гораздо сильнее электростатических взаимодействий, объясняет он, ограниченные диапазоном порядка нанометра эффектом экранирования ионов внутри клетки. "Мы обнаружили, что, приближаясь близко к критичности, клетки располагаются упорядоченно на большом масштабе, взаимодействием между белками," говорит он.

Сетна смотрит шире. "Удивительно, как много реакций в клетках, использующих энергию такой же величины, как и у тепловых флуктуаций", говорит он. "Мы считаем, что это своеобразная рачительность клетки - зачем платить больше?"

Что-то, чтобы чихнуть Исследователи подозревают, что существование этих критических сил Казимира объясняет, почему клетки с низким уровнем холестерина не работают так, как должны - удаление холестерина, говорят они, отдаляет мембрану от своей критической точки. Они также предполагают, что силы эти участвуют в процессе чихания. Сетна объясняет, что когда рецепторные белки в иммунных клетках обнаруживают аллерген, такой как пыльца, они группируются вместе, и эта кластеризация каким-то образом активизирует гистамин, вызывающий чихание. Он говорит, что, возможно, аллерген просто меняет предпочтения рецепторных белков для одной из двух жидких фаз в мембране, таким образом, собирая их вместе.

Исследователи надеются, что их работа может привести к медицинским приложениям. Витч объясняет, что дефекты в липидах, как полагают, способствуют большому количеству заболеваний, включая рак, иммунные заболевания и воспаления. "Эта работа может пролить свет на то, как липиды могут повлиять на некоторые аспекты этих заболеваний", говорит она. "В будущем, я могу себе представить препараты, которые специально направлены на липиды, чтобы регулировать взаимодействия белков для лечения заболеваний человека".

Сетна добавляет, однако, что масштаб времени для таких приложений, вероятно, будет большой. "Наша работа больше похожа на выяснение, как лучше построить бетонное основание для небоскреба, в котором в конечном итоге будет размещаться пентхаус приложений для здоровья", говорит он.

Теория объясняет поведение

Но в дополнение к любым будущим приложениям, Сетна утверждает, что существование критичности внутри клеток, уменьшает зависимость от чисто эволюционных механизмов, пытаясь понять, как клетки работают. "Есть много вещей, о клетках, которые биологи предполагают происходящими потому, что "эволюция сделала это так", говорит он. "Здесь, я думаю, эволюция позволила клетке найти эту критическую точку."

Однако некоторые независимые эксперты считают, что к экспериментальным результатам Витч следует относиться с осторожностью, поскольку они не были получены с использованием неповрежденных клеток. Один из них, пожелавший остаться анонимным, утверждает, что отделение мембраны от остальной клетки, возможно, удаляет некоторые важные компоненты мембран и что тело самой клетки может влиять на критические флуктуации некоторым образом. "Я еще не уверен, что предлагаемая теория применима к естественным биологическим мембранам", говорит он. "Поэтому я думаю, что гораздо больше экспериментальной работы необходимо сделать, чтобы исследовать это явление".

Исследование описано в журнале Physical Review Letters .

Об авторе: Эдвин Картлидж (Edwin Cartlidge), Рим.

Перевод: Олег Кириллов