Активные супрамолекулярные сборки в активных системах моторных нитей.
Кредит: Physical Review X. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.031031

Многие фундаментальные процессы жизни и их синтетические аналоги в нанотехнологиях основаны на автономной сборке отдельных частиц в сложные структуры. Профессор физики из LMU Эрвин Фрей, заведующий кафедрой статистической и биологической физики в LMU в Мюнхене и член кластера передового опыта ORIGINS, исследует фундаментальные принципы этой самоорганизации.

Вместе со своей командой он разработал теоретическую модель, которая объясняет образование таких структур, как активные пены из смеси белковых нитей и молекулярных моторов. Исследователи сообщили о своих выводах в журнале Physical Review X.

Белковые нити, как и микротрубочки, и молекулярные моторы являются основными компонентами цитоскелета во многих типах клеток. Важным примером построения и перестройки клеточных структур посредством взаимодействия нитей и моторов является митотическое веретено, которое отвечает за правильное деление клеток.

Исследование, проведенное группой ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре с использованием упрощенной модельной системы, показало, что в результате динамического взаимодействия микротрубочек и молекулярных моторов могут возникать разнообразные структуры.

Они включают в себя мицеллы, похожие на астеры, и новую фазу, называемую активной пеной. Основными строительными блоками этой пены являются бислои микротрубочек, в которых нити направлены в противоположных направлениях. Затем эти бислои объединяются, образуя сеть, которая подвергается устойчивым перестройкам.

«Активная пена возникает, когда увеличивается количество микротрубочек», — говорит Филиппо Де Лука, ведущий автор исследования. «Нашей мотивацией было понять физический механизм, лежащий в основе этого».

Физик-теоретик Фрей вместе со своей командой разработал математическую модель, которая может объяснить формирование узора. «Используя численное моделирование, нам удалось воспроизвести узоры, наблюдаемые в экспериментах, а также переход от мицелл к активной пене, контролируемой плотностью микротрубочек», — объясняет Фрей.

Заказанный пенопласт

Взаимодействие между моторами и микротрубочками имеет решающее значение для формирования узора. Без этих моторов микротрубочки были бы похожи на неорганизованную кучу палочек для захвата, лишенную организованной структуры, необходимой для сложных клеточных узоров. Моторы соединяют микротрубочки парами и движутся вдоль нитей, выравнивая их параллельно.

«Они соединяют их вместе, как застежка-молния, продвигаясь вдоль нитей», — говорит Фрей. В процессе две нити могут скользить друг мимо друга и многократно перестраиваться — важное качество для формирования пены.

Переход от мицелл к пенам зависит от количества моторов и микротрубочек. Когда количество компонентов невелико, частицы имеют большую свободу движения, что позволяет формировать отдельные мицеллы.

«Но если количество компонентов увеличивается, возникают лентовидные слои, а затем еще более сложные структуры, такие как пены», — объясняет Фрей. «Эти пены имеют упорядоченную структуру со смесью пятиугольников, шестиугольников и семиугольников и напоминают соты». Однако в отличие от сот активные пены перестраиваются неоднократно.

Теоретическая модель применима в целом ко всем типам нитей и двигателей и открывает новую перспективу активной материи. По мнению авторов, она также может помочь продвинуть бионанотехнологические приложения в будущем.