Учебники биологии врали: мы думали, внутри клетки пусто. Измерили — рибосомы забили всё впритык, молекулы застревают

В учебниках биологии клетку часто рисуют так, будто внутри у неё порядок и свободное пространство. Ядро спокойно лежит в центре, вокруг него аккуратно уложена эндоплазматическая сеть, рядом отмечены аппарат Гольджи и вакуоли, рибосомы расставлены как по линейке, а цитозоль почти пустой и прозрачный. Концепция удобная для ленивых студентов, но не очень верная. Внутри живой клетки тесно, шумно и постоянно что-то движется.

Эта теснота долго оставалась скорее идеей, чем измеряемой величиной. Проблема не в том, что учёные не подозревали плотную упаковку молекул, а в том, что трудно заглянуть внутрь клетки в тканях живого организма и понять, как там реально двигаются частицы. Клетку в чашке Петри изучать проще, но условия там другие. Сдвиг произошёл, когда микроскопия научилась устойчиво работать с живыми объектами, а генетическая инженерия дала возможность сделать внутри клетки заметные маячки и отслеживать их перемещение. Тогда выяснилось, что клеточная среда гораздо более плотная и изменчивая, чем предполагалось.

Недавно группа биофизиков решила проверить это напрямую: не в изолированных образцах, а в живом организме. Исследователи встроили в клетки специальные флуоресцентные белковые частицы сопоставимого с рибосомами размера и начали отслеживать их движение под микроскопом. Работа впервые позволила количественно измерить, насколько плотной на самом деле является цитоплазма в тканях живого организма.

Почему вообще так важно, насколько тесно внутри клетки? Потому что жизнь клетки целиком держится на химии. Оценки доходят до того, что в каждой клетке нашего тела каждую секунду может происходить порядка 1 000 000 000 биохимических реакций. Реакции идут только тогда, когда нужные молекулы встречаются. На таких масштабах физика начинает диктовать правила: скорость встреч зависит от того, как быстро и как далеко частицы могут перемещаться в цитоплазме.

Цитоплазма – это всё содержимое клетки внутри мембраны, если не считать ядро. Туда входят органеллы, крупные комплексы вроде рибосом, белковый каркас, а также цитозоль, гелеобразная среда с растворёнными молекулами. Если цитоплазма слишком разреженная, молекулы будут ходить кругами и редко сталкиваться с теми, кто нужен для реакции. Если она слишком плотная, многие участники процессов окажутся почти заблокированы, движения станет мало, и реакции начнут срываться уже из-за неподвижности. Ранние эксперименты с извлечённой цитоплазмой показали эту зависимость жёстко. В 1980-х, если немного разбавить цитоплазму, полученную из лягушачьих яйцеклеток, прекращались важные процессы, среди них митоз и репликация ДНК. Другая крайность тоже опасна: при чрезмерной плотности клеточная химия может буквально замереть.

При этом клетка тратит энергию, чтобы поддерживать текучесть цитозоля и заставлять молекулы чаще сталкиваться, чем они столкнулись бы при одной только диффузии. Диффузия – это случайное блуждание частиц из-за теплового движения. В воде и в разреженном растворе она работает неплохо. В тесной, вязкой среде диффузия замедляется, поэтому клетке приходится активно перемешивать внутренности и поддерживать подходящие физические условия.

Дальше возникает вопрос - как измерять тесноту? В клеточной биофизике слово "скученность" используют по-разному, и у него нет единого строгого определения. Поэтому параллельно смотрят на плотность: массу содержимого клетки, делённую на её объём. В одном из подходов плотность оценивали по преломлению света, потому что более плотная среда меняет, как через неё проходит свет. Так сравнили клетки очень разных организмов: лягушек, червей, дрожжей, бактерий, плодовых мух, данио-рерио и человека. Плотности клеток заметно различались, но на этом фоне проявилась стабильная пропорция: ядро почти во всех случаях было примерно на уровне 80% плотности цитоплазмы.

Чтобы понять именно проходимость внутренней среды, нужен зонд подходящего размера. Теснота всегда относительна. То, что мешает человеку в толпе, не мешает мыши. В клетке важны крупные комплексы, потому что они участвуют во многих реакциях и занимают много места. Рибосомы как раз из таких. Это молекулярные машины, которые собирают белки по инструкциям РНК. В качестве ориентира приводят, что крупные молекулы, включая рибосомы, обычно дают примерно 30–40% объёма растворённых макромолекул в цитозоле.

Для измерений придумали использовать специальные белковые частицы, которые можно сделать внутри клетки и подсветить. Их называют генетически кодируемые мультимерные наночастицы, сокращённо GEMs. По сути это сферические белковые частицы природного происхождения. Размер около 40 нанометров в диаметре, примерно как у рибосомы. Их можно модифицировать так, чтобы на поверхности появились флуоресцентные метки, и тогда под микроскопом частицы видны как движущиеся светящиеся точки. Дальше можно измерять, как быстро они проходят через разные области клетки.

Когда такие частицы поместили в дрожжи и в человеческие клетки, выращенные в культуре, выяснилась важная деталь: теснота менялась вместе с условиями питания. Иными словами, клетка не просто живёт в заданной вязкости, она меняет её вместе со своим состоянием. Логичным кандидатом на роль регулятора оказался mTORC1. Это главный сенсор питательных веществ у эукариот и один из ключевых регуляторов роста. Он реагирует на доступность ресурсов и может усиливать производство рибосом, чтобы клетка быстрее делала белки и быстрее росла. Отдельно отмечают, что скорость роста организмов в основе ограничена тем, сколько рибосом клетки способны произвести.

Если подавить работу mTORC1 химически, рибосом становится меньше. После такого подавления флуоресцентные частицы начали заметно легче проходить через цитоплазму. Это увязали в одну картину: рибосомы, будучи одними из самых многочисленных и крупных объектов в клетке, сами по себе создают тесноту. Поэтому пути, которые управляют числом рибосом, автоматически меняют и физические свойства цитоплазмы. В итоге степень тесноты стала выглядеть как показатель режима клетки: при быстром росте и хороших условиях клетка набивает цитоплазму рибосомами плотнее.

Но тут есть важная оговорка. Всё это наблюдали в дрожжах и в человеческих клетках в культуре. Культура – это удобная модель, но она не равна ткани живого организма. В живом теле клетки встроены в механическую среду, испытывают давление соседей, получают сигналы от тканей, работают в другом режиме обмена веществ. Поэтому следующий шаг был очевиден: проверить, работает ли та же логика в организме.

Для этого взяли прозрачного модельного червя Caenorhabditis elegans. Он удобен тем, что через его ткани можно наблюдать флуоресценцию прямо в живом животном. Встроить GEMs в клетки червя оказалось непросто: нужно было добиться, чтобы животное стабильно производило эти частицы, а затем научиться правильно снимать и обрабатывать изображение, чтобы измерения отражали реальное движение, а не ошибки съёмки. В итоге частицы удалось увидеть в клетках кишечника и кожи.

И там произошло самое неожиданное. Внутри клеток червя частицы почти не двигались. По измерениям цитоплазма оказалась примерно в 50 раз более заполненной рибосомами, чем у клеток, выращенных в культуре. Эти измерения и наблюдения легли в основу исследования, опубликованного в сентябре 2025 года в Science Advances. По описанию, в культуре среда напоминает мёд, а цитоплазма в тканях червя больше похожа на очень густое варенье. Здесь начинается главный вопрос: если внутри так вязко и тесно, как молекулы вообще находят нужных партнёров для реакций?

Дальнейшие наблюдения подсказали, что дело не только в количестве рибосом. Частицы GEMs застревали не равномерно, а сильнее в отдельных областях клетки. Когда нарушили работу белка ANC-1, частицы стали двигаться заметно свободнее. По описанию, ANC-1 работает как внутренний каркас, то есть помогает удерживать структуру и организовывать пространство цитоплазмы. Из этого сделали практический вывод: клетка может регулировать тесноту двумя путями. Первый путь – это менять число крупных комплексов, прежде всего рибосом. Второй путь – это менять геометрию и внутреннюю архитектуру, как устроены перегородки, опоры и маршруты внутри цитоплазмы. Для тканей это особенно важно, потому что клетки там живут не в одинаковых условиях, и им выгодно не столько раздвигать молекулы, сколько организовывать движение так, чтобы нужные компоненты быстрее встречались в нужных местах.

После публикации работы метод начали расширять. Частицы GEMs стали использовать не только в коже и кишечнике червя, но и в нейронах и других типах клеток, включая стареющие и патологические состояния. Цель там практичная: собрать базовую карту физических свойств цитоплазмы по разным тканям, чтобы видеть, где теснота выше, где ниже, и как она меняется при болезни или старении. Параллельно начали переносить метод на другие модельные организмы, в числе них называют данио-рерио.

По мере накопления таких данных картинка становится сложнее, чем идея одного универсального оптимума. Диапазон тесноты внутри клеток оказался шире, а разные ткани, судя по всему, выбирают разные значения под свои задачи. И это выглядит логично даже без сложной математики. Мышечная клетка постоянно сокращается и расслабляется, ей нужны одни механические свойства. Жировая клетка в основном хранит энергию, у неё другой режим работы, и ей может быть выгодна другая вязкость и другая степень заполнения.

Дальше исследователи подключили органоиды. Это трёхмерные структуры, выращенные в лаборатории так, чтобы они напоминали ткани и органы. Органоиды отличаются от клеток в чашке тем, что там есть объём, слои и более реалистичная геометрия. Поэтому их рассматривают как промежуточную модель между культурой и живым организмом. GEMs начали внедрять в органоиды опухолей поджелудочной железы и искать биофизические отличия, которые могли бы отделять раковые клетки от здоровых по тому, насколько по-разному устроена и насколько по-разному движется их цитоплазма.

С раком этот вопрос связан не случайно. Опухоли заметны на ощупь как уплотнения, потому что меняется механика ткани. Когда клеточная масса растёт, клетки сдавливаются, им становится теснее. Это должно менять физические свойства клеток изнутри, включая подвижность молекул и то, насколько свободно протекают реакции. Поэтому измерения тесноты и вязкости могут дать дополнительный способ описывать различия между состояниями клеток, особенно если сравнивать не только маркеры, но и физику среды.

В итоге вся история сводится к простому, но неприятному для учебников факту. Реальная клетка внутри организма живёт в очень плотной среде, и эта плотность не просто данность. Клетка меняет число рибосом через системы, завязанные на питание и рост, и дополнительно настраивает внутреннюю архитектуру с помощью каркасных белков. А главное, результаты, полученные на клетках в культуре, нельзя автоматически считать описанием того, что происходит в тканях. Следующий практический шаг, который уже делают, – это собирать подробные карты внутреннего строения по разным типам клеток и проверять, как эти параметры сдвигаются при старении и болезнях.