Крошечный водный организм, состоящий всего из одной клетки, способен за считаные миллисекунды уменьшить длину своего тела до четверти первоначального размера. Теперь учёные выяснили, какой механизм позволяет ему двигаться с такой скоростью.
Речь идёт о Spirostomum ambiguum — крупной одноклеточной инфузории, покрытой ресничками, с помощью которых она плавает. Этот организм способен сокращаться примерно на 100 длин собственного тела в секунду, а затем быстро повторять движение.
Исследователи предполагают, что такая способность может помогать ему спасаться от хищников или взаимодействовать с другими инфузориями.
Самое удивительное — сокращение занимает менее пяти миллисекунд. Для сравнения, человеческие мышечные волокна могут уменьшаться примерно в таких же пропорциях, но делают это примерно в десять раз медленнее.
Учёных давно интересовало, что позволяет одной клетке развивать такую скорость.
С помощью электронной и иммунофлуоресцентной микроскопии исследователи подробно изучили внутреннюю структуру Spirostomum. Оказалось, что сокращение запускают ионы кальция, а само движение выполняет особая белковая сеть, напоминающая рыболовную сетку.
У одноклеточных организмов нет мышечных волокон. Вместо них Spirostomum использует волокнистые структуры — мионемы, состоящие из связывающих кальций белков центрина и Sfi1.
Эти мионемы образуют вокруг клетки сетчатую структуру. Когда начинается сокращение, сеть быстро стягивается внутрь, уменьшая размеры организма, а затем возвращается в исходное состояние.
Особая геометрия этой структуры позволяет клетке сжиматься равномерно. Благодаря этому её внутренние органеллы не подвергаются слишком сильной деформации даже при столь стремительном движении.
Ключевую роль играет белок Sfi1. В обычном состоянии он остаётся сравнительно жёстким, но при появлении ионов кальция становится гибким и сворачивается. Исследователи сравнивают происходящее с комком мокрых спагетти. Из-за этого вся белковая сеть резко стягивается, а клетка уменьшается.
При этом принцип работы этой системы сильно отличается от сокращения человеческих мышц.
Наши мышцы используют аденозинтрифосфат — молекулу, которая запасает и высвобождает энергию во время сокращения. У Spirostomum главную роль, по всей видимости, играют ионы кальция.
Исследователи сравнивают эти два механизма с бензиновым и электрическим двигателем. Аденозинтрифосфат химически изменяется и расходуется подобно топливу, тогда как движение кальция скорее напоминает электрический ток.
Однако одна из главных загадок пока остаётся нерешённой. Учёные ещё не понимают, что именно создаёт своеобразное «напряжение», запускающее движение кальция, и каким образом система после сокращения возвращается в исходное состояние.
Это особенно интересно потому, что кальциевые реакции обычно можно было бы ожидать как одноразовое событие, тогда как Spirostomum способен сокращаться снова и снова.
Теперь исследователи хотят выяснить, как именно кальций запускает движение и каким образом клетка так быстро подготавливается к следующему сокращению.
Понимание этого механизма может оказаться полезным далеко за пределами биологии. Учёные рассчитывают, что принципы работы Spirostomum однажды помогут создавать искусственные мышцы и синтетические клеточные механизмы, способные двигаться чрезвычайно быстро и при этом не зависеть от аденозинтрифосфата.
