Размер клетки определяется транспортом химических веществ

Группа исследователей из США предположила, что размер, до которого вырастают клетки, определяется скоростью перемещения биологических молекул.

Руководитель исследовательской группы Бартош Гржимбовски (Bartosz Grzybowski) из Северо-западного университета в Эванстоне (Иллинойс) говорит, что по словам биологов клетки должны иметь небольшой размер для того, чтобы получить наиболее высокое отношение площади поверхности к объему, максимизировав тем самым транспорт через мембрану. Однако такая концепция оставляет открытым вопрос: «Почему в таком случае размер клеток таков, какой он есть, и мы не наблюдаем существенное уменьшение их размера?»

Для нормального функционирования клеткам нужны такие макромолекулы, как белки и нуклеиновые кислоты. В клетках-прокариотах, такие как многие бактериальные клетки, содержится до трех миллионов макромолекул, в то время как в более сложных клетках-эукариотах может находиться до восьми миллиардов макромолекул, и очевидно, что для нормального перемещения в пределах клетки и взаимодействия друг с другом клеткам требуется достаточно места. Гржиборвски приводит пример, что в слишком тесном цеху работа очень сложна из-за того, что оборудование может мешать как друг другу, так и работникам, а в слишком просторном цеху, напротив, большое удаление одного агрегата от другого также будет затруднять создание эффективной сборочной линии.

Для изучения факторов, определяющих размеры клеток, исследователи из группы Гржимбовски решили изучить перемещение молекул в клетках с помощью двух подходов. Для определения коэффициентов диффузии, зависящих от размера молекул и их концентрации в клетке, была использована как модель, основанная на уравнении Эйнштейна-Стокса, так и теория препятствий (obstruction theory). Применение этих моделей позволило исследователям определить скорости транспорта различных молекул в клетках разного типа, и было найдено, что оптимальный размер клеток-прокариотов составляет 1 мкм, а эукариотов – 10 мкм, что согласуется с эмпирически наблюдаемыми масштабами клеток. Исследователи показали, что теоретически предсказываемый размер клетки не зависит от выбора модели, и можно говорить о том, что диаметры клеток, которые мы наблюдаем сегодня – не что иное, как результат оптимизации, выполненной Природой.

Стефан Манн (Stephen Mann) из Университета Бристоля, разработавший модель для протоклетки, отмечает, что новая модель, хотя, по сути, и является очевидной, достаточно глубока, добавляя, что она вызывает ряд дополнительных вопросов. Основной аргумент новой гипотезы – связь процессов пассивной диффузии с активностью макромолекул внутри клетки и ее размером. Тем не менее, в модели Гржимбовски не учитывается влияние температуры, и коэффициенты диффузии не дают ответ на вопрос, почему статистически размер термофилов больше, чем размер холодолюбивых бактерий.

Гржибовски надеется, что разработанная в его группе модель поможет исследователям из его группы создать динамические химические системы, похожие на клетки, но отличающиеся от живых клеток в первую очередь биологией. Он подчеркивает, что если кто-то захочет создать молекулярную сборочную линию, ему придется существенно обдумать вопрос взаимодействия реакции и сырья для этой реакции, резюмируя, что пришла пора взглянуть на клетки с точки зрения физики и термодинамики.