Клітинна цитоплазма по-різному заважає частинкам, які в ній плавають.
У живій клітці постійно щось рухається: великі і малі молекули, надмолекулярні комплекси, на кшталт рибосом, і навіть цілі органели, на кшталт мітохондрій і лізосом, переміщуються з місця на місце. І справа не тільки в простій дифузії. Клітини мають спеціальні моторні білки, які активно перетягують вантажі внутрішньоклітинним простором, витрачаючи на це енергію.
Клітина пронизана у всіх напрямках довгими цитоскелетними нитками, і білки-перевізники в прямому сенсі «ходять» по цитоскелету, танучи за собою вантаж. Більшість досліджень внутрішньоклітинного транспорту присвячені якраз таким моторним білкам. Але ж перевізник працює не в порожньому просторі, навколо нього - цитоплазма, в якій плаває величезне число все тих же молекул і молекулярних комплексів. Очевидно, що, рухаючись в цитоплазмі, потрібно долати опір середовища, часом досить сильний.
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту вирішили оцінити, наскільки складно рухатися великим і малим частинкам в цитоплазмі клітин ссавців. У клітини вводили частинки розміром від 0,5 до 1,5 мікрометрів - у цей інтервал вкладається велика частина клітинних органелл. Кожною часткою керували за допомогою оптичного пінцету - сфокусованого лазерного променя, здатного пересувати мікроскопічні об'єкти. Штовхаючи частинку до краю клітини, можна було вимірювати силу, яка потрібна, щоб перемістити об'єкт на певну відстань.
Як ми сказали, цитоплазма містить дуже багато всього. І, з одного боку, просуванню в ній заважає звичайна вода, яка повинна розходитися перед рухомим об'єктом, а з іншого боку, рухомий об'єкт постійно змушений постійно стикатися з різноманітними молекулами та їх комплексами.
У другому випадку головною перешкодою виявляється цитоскелет - мережа опорно-транспортних білкових ниток, що пронизують, як ми говорили вище, всю внутрішність клітини. Цитоскелет - структура гнучка і динамічна, його нитки постійно збираються і розбираються, і в'язкість цитоплазми, обумовлена цитоскелетом, залежить від того, наскільки швидко він перебудовується.
У статті в PNAS сказано, що, залежно від розмірів і швидкості частинки, головною перешкодою в її просуванні виявляється переважно або «водна в'язкість», або «цитоскелетна в'язкість». Якщо частинка рухається швидко, то головною проблемою стане цитоскелет, нитки якого просто не встигатимуть розходитися і розбиратися у неї на шляху.
Якщо частинка досить велика, то основною проблемою стане вода - щоб тіло з великою поверхнею пройшло вперед, йому потрібно розігнати перед собою дуже і дуже багато водяних молекул. Відповідно, при різних швидкостях і різних розмірах рухомої частинки «цитоскелетна» і «водна» в'язкість будуть вносити той чи інший внесок в опір середовища.
Автори роботи порівняли свої результати з іншими даними про те, як рухаються в клітинній цитоплазмі різні органели - і дані по органелам виявилися в хорошій відповідності з результатами експериментів з частинками.
Якщо спробувати порівняти, на що схожа клітинна цитоплазма для різних органел, то для ядра це буде приблизно як плавати в басейні з медом - ядро досить велике і досить повільно рухається в клітці, щоб не звертати уваги на цитоскелет.
Для мітохондрій цитоплазма буде вже чимось на зразок зубної пасти, оскільки вони менші і рухаються швидше. Що до ще дрібніших і рухливих лізосом, то вони взагалі відчувають себе пробираються крізь желе (якби могли відчувати). Відповідно енергетичні витрати, які потрібні на пересування мітохондрії або лізосоми, потрібно оцінювати з поправкою на їх різне взаємовідносини з цитоплазмою.
Все це важливо не тільки в сенсі фундаментальних знань про живу клітину. Якщо ми створюємо ліки, які повинні проникнути крізь клітинну мембрану і подіяти на мітохондрії, або рибосоми, або ядро, то ефективність таких ліків, будь то окрема молекула або складна наночастинка, будуть залежати від його рухливості, від того, наскільки швидко воно знайде свою мету, перш ніж клітина від нього захоче позбутися.