17 октября 2010 г.

Физика живой клетки

В последнем выпуске журнала «Nature Physics» опубликована подборка обзорных статей про биофизику клетки. Из этой огромной области были выделены лишь четыре конкретные темы: биомеханика живой клетки, физика вирусов, динамика (природных) нейронных сетей и моделирование фолдинга белков.

Вся подборка находится в свободном доступе; можно скачать ее в виде единого pdf-файла или читать отдельные статьи. Вот краткий их пересказ.

Биомеханика клетки. Про живую клетку обычно рассказывают с точки зрения биологии: как она делится, как питается, как умирает, какие в ней происходят биологические процессы, в общем — как она живет. Но жизнь — жизнью, а клетка кроме всего этого является еще и сугубо материальным объектом: со своими механическими и электрическими свойствами, со своими неравновесно-термодинамическими процессами внутри нее.

И тут, оказывается, есть куча интересных с точки зрения физики тем для изучения. Можно взять, например, вискоэластические (т.е. упруго-текучие) свойства клетки, которые описывают то, как клетка поддается на внешнее механическое воздействие. Оказывается, эти свойства не какие-то произвольные, а специально адаптированы для более эффективной работы клетки. Более того — клетки могут сами их настраивать. Например, клетки на коллагеновую подложке цепляются за нее по-разному в зависимости от упругости подложки и в зависимости от внешних сил, ее деформирующих. Прикладывая внешнюю силу к подложке, мы локально ее растягиваем; клетка это чувствует через свои механические контакты, этот сигнал передается в клетку и она модулирует экспрессию тех или иных белков. Возникает белковый ответ на внешнее воздействие, который может менять механические свойства клетки — например, увеличивает ее жесткость клетки в сотню раз или же резко ослабляет ее «липкость».

Эта «игра с клеткой» исключительно важна для понимания распространения раковых опухолей. Сейчас предполагается, что в раковых клетках может запускаться такой механизм, при котором клетка в ответ на гомеостатическое давление, оказываемое делящимися клетками-соседями, резко теряет свою липкость, отцепляется от соседей и разносится по организму — т.е. образует метастазы.
Механический отклик контрактильной клетки в опухоли в ответ на механическое воздействие, вызванное лазерным импульсом. Источник рисунка.
Подробнее про биомеханические изменения в раковых клетках написано в другой статье из подборки. Среди прочего там описывается недавнее предложение измерять биомеханический отклик клеток из подозрительных новообразований для раннего выявления ракового перерождения. Во многих случаях раковые клетки намного мягче обычных, и это можно заметить с помощью довольно простого и быстрого теста. Такой тест можно было бы применять для широкого скрининга раковых заболеваний.

В статье «Физическая вирусология» описываются механические свойства вирусных частиц, а точнее капсида — внешней белковой оболочки вируса. Эксперименты по продавливанию капсида на атомно-силовых микроскопах показывают, что для его описания можно применять модели из области обычного материаловедения. В капсиде можно заметить даже явление «усталости материала», с которым человеку регулярно приходится сталкиваться в повседневной жизни. На самом деле, даже удивительно, что макроскопические модели из материаловедения так хорошо работают для нанометровых объектов.

Результат продавливания капсида атомно-силовыми методами. Источник рисунка.
В обзоре «Самовозникающая сложная нейронная динамика» рассказывается о том, как «выглядит» с точки зрения статистической физики общая картина спонтанной (т.е. не стимулированной) активности в головном мозге человека. Оказывается, эта активность не беспорядочна и не циклична; в ней наблюдаются неритмические колебания, характерные для так называемого критического состояния (этот пример был бы очень в тему в книжке Филипа Болла «Критическая масса»). Характерной особенностью критического состояния является отсутствие каких-то жестких временных и пространственных масштабов. Всё меняется и колеблется и на мелких расстояниях, и на масштабах всего мозга; на коротких и на длительных временах.

Закон распределения размера «лавин нейронного возбуждения» в нейронных сетях в экспериментах с разным числом электродов. Источник рисунка.
Кстати, есть такой нейрофизиолог Дьёрдь Бужаки (Gyorgy Buzsaki) и у него есть популярная книжка «Ритмы мозга». В ней, кроме прочего, он высказывает такую спекулятивную мысль по поводу того, что такое (с точки зрения физики!) сознание у человека, т.е. ощущение собственного «я», ощущение того, что «я мыслю». Он говорит, что у животных нет такого безмасштабного паттерна спонтанной мозговой активности, как у человека. По его мнению, именно эта безмасштабная непрекращающаяся активность, которая гуляет по мозгу, может как-то «замечать саму себя». И тогда она ощущается нами как самоосознание. Это всё, конечно, очень спекулятивно, но интересно то, что нейрофизиология в принципе может тестировать такие гипотезы; это уже не просто фантазии, а нечто проверяемое. И это, конечно, жутко интересно!

Последняя статья из подборки, «Трудности моделирования фолдинга белков», рассказывает о нелегкой доле вычислителей, которые из первых принципов (т.е. из взаимодействия атомов и молекул) пытаются вычислить, во что именно свернется тот или иной белок [Update: см. в комментариях более аккуратные пояснения от специалистов]. Главная светлая мечта в этом направлении — научиться вычислять биологическую функцию той или иной молекулы, исходят из чистой атомной физики. Это исключительно сложная вычислительная задача, и как ее упростить и можно ли это сделать вообще — совершенно непонятно. Я тут дам лишь пару ссылок на популярные заметки про недавние работы: Миллисекундный барьер взят! и Помогать науке можно играя (кстати, классная штука по ссылке, рекомендую поиграться).

И напоследок, если для вас словосочетание «вычислить жизнь» звучит слишком фантастично, почитайте мой старый пост про одну интересную новость.

16 комментариев:

  1. Хотел вам чуть-чуть, с вашего разрешения, терминологию подправить (хотя вы наверное это и так знаете). Обычно когда в областях, неким образом относящихся к квантовой химии, говорят "из первых принципов", то подрузмевают английское, а точнее латинское "Ab Initio". Если это относится к механике фолдинга белков, то это значит, что на каждом шаге динамики находится волновая функция электронов (hartree-fock, density functional theory etc) в приближении Борна-Оппенгеймера, то есть ядра считаются классическими (и статическими). Затем по теореме Хелмана-Фейнмана вычесляется классическая сила действующая на ядра, и позиции ядер уточняются в соответствии с текущеё силой и скоростью. Такие вещи уже делаются, но не для белков (слишком большие) и не на милисекунду (слишком долго). Что делаеться для белков, это так называемая молекулярная динамика, то есть взаимодействия между атомами и кусками молекул запераметризованы неким "силовым полем" (force field), что позволяет решать уже чисто классическую задачу, что гораздо быстрее. Основаня проблема в том что у конкретного форс филда очень, строго говоря, ограниченная область применения, потому что его нужно репараметризовать под каждый конкретный класс молекул, а то и под конкретную молекулу. Мало того, конкретный форс филд может хорошо работать в одном диапазоне темрератур, а другой в другом. Например, форс филды для молекулы ДНК при "комнатной" температуре могут быть не расчитаны на аккуратное описание "плавления" ДНК, то есть когда ДНК из двойной спирали разваливается на две одинарные - расплетается, потому что тот, кто это форс филд параметризовал не учитывал, например, диссоциацию водородных связей.
    Теперь ещё раз про терминологию, из первых принципов - это Ab Initio - это скорее правильно называть взаимодействием квантованых электронов между собой и классическими ядрами. Молекулярная динамика (MD) или force field - это как раз запараметризованное взаимодействие между атомами и сегментами молекул - это то как пока в основном изучают белки и это не "из первых принципов". Надеюсь, мой комментарий окажется полезен читателяь этого блога.

    Кирилл

    ОтветитьУдалить
  2. Да, конечно. Спасибо за пояснение!

    ОтветитьУдалить
  3. Небольшая поправка: в русском языке нет слова "вирология", есть слово "вирусология".

    В проблеме укладки под ab initio обычно понимают всё-таки не квантовый расчёт, а свёртку третичной структуры исходя из развёрнутого состояния полипептидной цепи. Кстати, мне кажется, что решать эту задачу можно было бы путём моделирования укладки при синтезе на рибосоме, как это происходит в реальности, но видимо, ещё не до конца изучено.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный21/10/10 23:16

    to starless: По поводу укладки белков. Уже давно доказано, что большинство белков правильно укладываются совершенно самостоятельно, т.е. без участия клеточной машинерии (т.е. рибосом и т.д.). Т.е. их структура зависит только от последовательности аминокислот. Поэтому моделировать рибосому нет надобности. Исключение составляют белки, которые в природе после синтеза и укладки подвергаются дополнительным изменения цепи, например обрезания или зацикливания (пример: инсулин)

    ОтветитьУдалить
  5. Судя по описанию, про нейронные ансамбли -- это идея о самоорганизованной критичности (SOC) в мозге?

    ОтветитьУдалить
  6. Ну да. Кстати, в том же выпуске Nature Physics была еще одна отдельная статья про SOC в мозге, даже когда нейронная сеть неконсервативна.

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный30/10/10 13:53

    Вопрос не в тему. Я гуманитарий и далекий человек от естественнонаучных дисциплин. Но я посмотрел ваши лекции на видео и проявил интерес и вот я тут и хотел бы задать вопросы:

    Вы говорили о том что чем более экстремальны условия, тем проще вещество.
    Значит ли это что можно взять "простое" вещество и затратя какую либо энергию сделать "сложное"?
    Ну как когда то давно алхимики пытались сделать из не помню какого металла(наверно ртути или серебра) золото? Про алхимиков это метафора и аналогия-не более.

    P.S. Эксперименты на LHC могут прояснить такую теоретическую область как гравитационное излучение?

    ОтветитьУдалить
  8. «Простым» вещество будет оставаться только в экстремальных условиях. Для того, чтоб сделать из него что-то сложное, надо не затратить энергию, а создать деликатные, т.е. не экстремальные, условия. Я там в конце привожу пример, что такая сложная форма организации вещества как жизнь требовала для своего образования очень деликатные условия.

    Если на микроскопических масштабах гравитация такова, какой она нам кажется на макроскопических, то нет. Если же на микроскопических масштабах с гравитационным взаимодействиям происходят необычные явления (теоретики уже понапридумывали, какие именно явления могут быть) — тогда да.

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный30/10/10 15:48

    Спасибо, идею про деликатные условия в принципе усвоил. Понял я это в том смысле что вот когда то давно было очень горячё и плотно, потом расширение и охлаждение, так и появилась Вселенная.
    Вопрос возник скорей из за того что я не понял что происходит с красным кислородом после того как мы снимаем все условия его образования, возвращается ли он в свою исходную форму или тут есть некие "точки не возврата" на графике?

    ОтветитьУдалить
  10. Да, он возвращается в свою обычную форму - при обычных условиях это просто газ.

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный3/11/10 20:33

    Gyorgy Buzsaki - дьёрдь буЖаки
    zs звучит как Ж венгерском

    ОтветитьУдалить
  12. Спасибо, я не знал, как правильно, поправлю.

    ОтветитьУдалить
  13. Анонимный13/11/10 23:35

    http://rnd.cnews.ru/natur_science/news/top/index_science.shtml?2010/11/03/414709
    серьезны ли эти результаты? нет ли ошибки или преувеличения журналистов?

    ОтветитьУдалить
  14. Результаты интересны, но журналисты преувеличивают.

    ОтветитьУдалить
  15. там еще QMMM может использоваться.
    А перцы уже DFTB делают с ДНК.

    Как жизня Кирилл ?

    ОтветитьУдалить