Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

За свою жизнь вы потеряете более тонны клеток, выстилающих стенки вашего кишечника¹. Вы этого даже не заметите, поскольку у вас постоянно появляются новые. Обновляются также клетки кожи, крови, иммунной системы и много чего еще. До своего появления на свет и в первые годы после него вы производили триллионы клеток множества типов: клетки печени, клетки мышц, клетки почек и так далее. Все они формировались в результате деления других клеток, и каждая из таких цепочек делений и специализаций восходила к стволовой клетке. Стволовыми называют клетки, которые еще не определились со своей идентичностью и сохраняют способность производить более одного типа клеток, включая новые стволовые клетки. Одиночная оплодотворенная яйцеклетка – это стволовая клетка, потомство которой представлено всем многообразием клеток тела. Во взрослом организме потенциал стволовых клеток ограничен гораздо сильнее. Например, стволовые клетки одного типа производят только клетки крови, включая и эритроциты, переносящие кислород, и иммунные клетки всех разновидностей. Стволовые клетки другой разновидности производят клетки эпителиальной выстилки кишечника, включая те, что всасывают питательные вещества, и те, что выделяют слизь или пищеварительные ферменты. Что же определяет, по какому из многих альтернативных путей развития пойдет стволовая клетка? Почему ее нестволовой потомок окажется, допустим, B-клеткой, дарующей иммунологическую память, а не каким-нибудь макрофагом, пожирающим отходы?

Ответ во многом зависит от диффундирующих молекул. Как мы узнали из прошлой главы, клетки реагируют на облака блуждающих молекул и настраивают экспрессию генов и другие активности, исходя из их локальных концентраций. К таким молекулам относятся гормоны, факторы роста и другие вещества, выделяемые одной клеткой и распознаваемые другой. Но для того, чтобы вершить судьбы клеток, их одних недостаточно. Недавно мы поняли, что столь же важный сигнал приходит от механической и вещественной компонент окружения.

Мозг мягкий, кости твердые, а мышцы не слишком мягкие, но и не слишком твердые. Каждая из этих тканей состоит из клеток и того, что находится за их пределами, – часто это густые сети из выделяемых клетками белков. В костной ткани в белковую сеть включаются минералы, но даже до минерализации этот материал примерно в 10 раз тверже мышечной ткани, которая, в свою очередь, примерно в 10 раз тверже головного мозга. Клетки и построенные ими каркасы влияют на жесткость, но может ли жесткость влиять на клетки?

В 2006 году Деннис Дишер и его коллеги из Пенсильванского университета опубликовали результаты важного и очень наглядного эксперимента². Авторы выращивали стволовые клетки, из которых могут формироваться как нейроны, так и клетки – предшественницы мышечной либо костной тканей, на субстратах (специальных гелях) разной жесткости, не меняя при этом состав окружающего их бульона. Оказалось, что стволовые клетки, выращенные на самых мягких субстратах, сходных по степени жесткости с мозговой тканью, превращались в нейроны; клетки, выращенные на средах средней жесткости, давали начало предшественницам мышечных клеток, а выращенные на самых жестких субстратах, сходных по жесткости с минерализованной костью, – предшественницам клеток костей.

Эти новообретенные идентичности проявлялись не только в форме клеток – ветвистой у нейронов, удлиненной у мышечных клеток и условно многоугольной у костеобразующих, – но и в профиле экспрессии их генов. Мы уже видели чудеса самосборки: клетки организуются в структуры, словно ткань, которая сама по себе сшивается в одежду. Но оказывается, эта ткань еще чудеснее, чем мы предполагали: на мягком матрасе она превращается в ночную рубашку, а на твердом черепе – в шлем.

В определении клеточной судьбы участвуют не только биохимические, но и механические сигналы³. Механика управляет и многими другими клеточными процессами, от распознавания прикосновений до восприятия звуковых волн, от ощущения гравитации растениями до различения верха и низа. В последние два десятилетия процветает механобиология – область, изучающая механическую сигнализацию. Многое остается неизвестным, но некоторые ключевые моменты уже прорисовываются. Один из них – важность каналообразующих мембранных белков (см. главу 2), конфигурация которых может зависеть от натяжения мембраны. Связь белков с внутренней или внешней средой позволяет открывать и закрывать трансмембранные ворота. Канальные белки могут реагировать на напряжение в липидном бислое: например, при растяжении бислой может утончаться, и соответствующее укорочение его гидрофобной сердцевины (см. главу 5) может подталкивать белки к принятию иной конформации⁴.