Крошечный одноклеточный организм Spirostomum ambiguum способен сжаться до четверти своей длины менее чем за 5 миллисекунд — в 200 раз быстрее, чем мы моргаем. И делает он это без мышц. В Университете Северной Каролины выяснили, как именно это работает.
Spirostomum ambiguum — гигантская одноклеточная инфузория, обитающая в пресной воде. Она покрыта ресничками, с помощью которых плавает. Но главная ее особенность — способность молниеносно сокращаться, уменьшаясь в длину в четыре раза за 5 миллисекунд. Для сравнения: человеческая мышца может сократиться на такую же относительную величину, но ей требуется примерно в 10 раз больше времени. Ученые давно интересовались этим организмом, но точный механизм его суперскорости оставался загадкой.
Исследователи из Университета Северной Каролины в США использовали электронную и иммунофлуоресцентную микроскопию, чтобы заглянуть внутрь Spirostomum. Результаты опубликованы в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
У Spirostomum нет мышечных волокон. Вместо них внутри клетки есть структуры, называемые мионемами. Это фибриллярные белковые комплексы, состоящие из двух кальций-связывающих белков — центрина и Sfi1. В спокойном состоянии мионемы образуют сеть, которая опоясывает клетку подобно рыболовной сети. Когда инфузория получает сигнал (например, прикосновение хищника или резкое изменение среды), в клетку поступает поток ионов кальция. Ионы кальция связываются с белком Sfi1, и тот теряет свою жесткость — он буквально «сворачивается» в клубок, как мокрая лапша. Это заставляет всю белковую сеть стягиваться, подобно тому, как затягивается горловина рыболовной сети, — и клетка сжимается.
Ключевое отличие от мышечного сокращения — в источнике энергии. Наши мышцы работают на АТФ (аденозинтрифосфате): молекула АТФ расщепляется, высвобождая энергию, и этот процесс «сжигает» топливо, как бензин в двигателе. У Spirostomum процесс использует кальций, который действует скорее как электрический ток. Кальций не расходуется — он просто включает механизм. Но как именно этот «ток» запускается и, главное, как клетка «перезаряжается» для следующего сокращения, пока остается загадкой.
Мы бы ожидали, что кальций-зависимые реакции будут одноразовыми, но Spirostomum способен повторять их снова и снова. Понимание того, как именно это работает — ключ к созданию быстродействующей искусственной мышцы, которая не зависит от АТФ. — Мэри Элтинг, руководитель исследования.
Авторы отмечают, что «рыболовная сеть» Spirostomum дает ему еще одно важное преимущество: сокращение происходит равномерно по всей длине клетки. Это защищает внутренние органеллы от повреждений во время быстрого движения. Понимание этого биологического механизма может помочь инженерам создавать синтетические системы — например, для мягкой робототехники или искусственных мышц, которые будут сокращаться с невероятной скоростью и без использования химического топлива.
Источник: https://science.mail.ru…
