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.