Чем сильнее тянешь — тем прочнее становится. Именно так устроены нити, которые делят хромосомы в каждой клетке вашего тела

Пока исследователи пытались понять, как клетка делит хромосомы без ошибок, сама природа всё это время скрывала необычный инженерный приём. Оказалось, что веретено деления — микроскопическая конструкция, растягивающая и разделяющая хромосомы во время деления клетки, — становится прочнее именно тогда, когда на него действует сила. Вместо разрушения оно запускает внутренний механизм самовосстановления и укрепляет повреждённые участки.

Деление клетки начинается с подготовки генетического материала. Перед тем как одна клетка превратится в две дочерние, ДНК удваивается и упаковывается в компактные Х-образные хромосомы. Затем ядерная оболочка исчезает, а внутри клетки собирается веретено деления — сложная пространственная конструкция из микротрубочек. Белковые нити тянутся от противоположных полюсов клетки, прикрепляются к хромосомам, выстраивают их в центре, а затем одновременно растаскивают к разным сторонам. После этого клетка разделяется надвое, и каждая дочерняя клетка получает полный набор генетического материала.

Именно прочность этого механизма десятилетиями оставалась загадкой. Веретено постоянно испытывает огромные механические нагрузки: оно одновременно тянет, изгибается, сокращается и сопротивляется собственному натяжению. Если конструкция потеряет устойчивость, хромосомы распределятся неправильно, что может привести к гибели клеток или стать причиной заболеваний, связанных с нарушением деления и ошибками в распределении хромосом. Несмотря на более чем 150 лет исследований, учёные не понимали, каким образом столь хрупкая на вид структура выдерживает подобные нагрузки.

Главной проблемой долгое время оставалась сама техника эксперимента. Исследователи могли наблюдать деление клетки под микроскопом, но не умели механически воздействовать на веретено деления в клетках млекопитающих. Для нового исследования специалисты впервые использовали сверхтонкие микроскопические иглы, позволяющие буквально тянуть отдельные волокна веретена, не разрушая клетку, а затем наблюдать, как структура реагирует на приложенную силу.

Работа велась на клетках кенгуровых крыс — небольших австралийских сумчатых. Их клетки содержат всего 12–13 хромосом, поэтому процессы деления легче наблюдать под микроскопом. Кроме того, такие клетки хорошо переносят механические воздействия. Почти десять лет исследователи многократно растягивали их веретено деления микроскопическими иглами, чтобы понять пределы прочности конструкции.

Первый неожиданный результат появился ещё несколько лет назад. Когда учёные тянули отдельную микротрубочку, она не отрывалась ни от хромосомы, ни от полюсов клетки. Вместо этого волокно ломалось примерно посередине. Ещё удивительнее оказалось поведение после разрыва: повреждённые концы не расплетались и не разрушались дальше, а быстро переходили в устойчивое состояние, словно распушившийся конец синтетического каната, который оплавили, чтобы остановить дальнейшее распускание.

Чтобы разобраться в механизме, исследователи начали управлять движением микроскопической иглы с точностью до 62,5 нанометра. Управление напоминало работу с игровым контроллером: чем быстрее двигалась игла, тем большую силу она прикладывала к волокну. Затем результаты сравнили с другим методом разрушения. Если микротрубочку просто разрезали лазером без предварительного растяжения, она быстро распадалась. Но если сначала её растягивали микроскопической иглой, а затем разрезали лазером в том же месте, структура сохраняла устойчивость. Оказалось, что механическое напряжение каким-то образом запускает процесс укрепления материала.

Объяснение связано с устройством самих микротрубочек. Каждая из них собрана из множества небольших белковых субъединиц, похожих на детали конструктора. Под действием силы часть менее устойчивых элементов может покидать структуру прямо в середине волокна. Освободившиеся места сразу занимают более стабильные белковые блоки, находящиеся в окружающей цитоплазме. В результате повреждённый участок не ослабевает, а наоборот, становится прочнее именно там, где нагрузка максимальна. Чтобы подтвердить существование такого процесса, исследователи пометили флуоресцентной меткой белок EB1, который связывается со стабильными участками микротрубочек. Метка концентрировалась именно в точке приложения силы, показывая, где происходило восстановление.

Полученный результат оказался необычным даже с точки зрения материаловедения. Большинство привычных материалов под нагрузкой постепенно разрушается. Веретено деления ведёт себя противоположным образом: растяжение повышает его устойчивость. Именно благодаря этому механизму клетка может одновременно создавать усилие, необходимое для перемещения хромосом, и выдерживать возникающие нагрузки, не разрушаясь в самый ответственный момент деления.

Авторы считают, что обнаруженный принцип может оказаться полезным далеко за пределами клеточной биологии. Если инженерам удастся воспроизвести подобный механизм в искусственных материалах, однажды могут появиться конструкции, которые под нагрузкой не изнашиваются, а наоборот, укрепляются. Исследователи уже приводят простой пример: дорожное покрытие, которое со временем становится прочнее под весом автомобилей вместо того, чтобы покрываться трещинами. Миллиарды лет эволюции могли создать решение, которое ещё только предстоит перенести в инженерные технологии.