Биологи из Принстонского университета, проследив за перемещением отдельных молекул мРНК внутри живой бактерии, выяснили, что процесс их диффузии вовсе не похож на обычное броуновское движение.

Известно, что все биологические молекулы в клетке – нуклеиновые кислоты, белки и т.д. – cинтезируются в строго определенных местах и затем перемещаются к «месту назначения», туда, где они должны выполнить свою специфическую функцию.

В высокоорганизованных клетках эукариот имеются разнообразные структуры, оптимизирующие этот процесс перемещения, — внутриклеточные мембраны и цитоскелет, служащий не только механической опорой клетке, но и направляющий внутриклеточные «транспортные потоки». В клетках прокариот ничего подобного нет, поэтому до сих пор считалось, что в них перенос макромолекул происходит за счет самой обыкновенной диффузии, когда молекулы, синтезированные в каком-либо месте клетки, «разбредаются» из него со скоростью, пропорциональной квадратному корню из времени. Однако в сильно неоднородных средах процесс диффузии может значительно замедляться.

Чтобы проверить, подтверждается ли обычный закон диффузии при движении макромолекул в клеточной цитоплазме, сотрудники биологического факультета Принстонского университета Идо Голдинг (Ido Golding) и Эдвард Кокс (Edward Cox) разработали оригинальную методику слежения за отдельными молекулами мРНК в бактерии Escherichia coli. Одновременно с транскрипцией мРНК они с помощью специальных добавок включали синтез специфического флуоресцирующего белка, который связывался с молекулами мРНК по мере их синтеза. При малых скоростях транскрипции им удавалось получить буквально одну-единственную мРНК и «посадить» на нее несколько флуоресцентных белков. В результате этого мРНК становилась менее активной, а значит, более долгоживущей, и путешествовала по клетке по крайней мере в течение часа. Белок же, ярко светившийся при облучении ультрафиолетом, позволял следить за перемещениями отдельных молекул в обычный микроскоп.

Результаты наблюдений доказали, что диффузия мРНК в бактериальной цитоплазме происходит медленнее, чем обычная, – средняя скорость удаления молекул от точки рождения зависела от времени, как корень кубический и сохранялась на протяжении всего времени наблюдения над молекулой: от одной секунды до получаса.

Авторы повторили опыты с колониями бактерий, выращенных под воздействием антибиотиков, а также с бактериями-мутантами с нарушенным синтезом зачатков цитоскелета. Во всех экспериментах молекулы разбредались по цитоплазме всё по тому же закону: t^0,35.

Каковы причины такого поведения молекул, пока доподлинно не известно. Из экспериментов, однако, непосредственно следует, что элементы цитоскелета у бактерий играют незначительную роль в диффузии. По-видимому, всё дело в чересчур концентрированном составе цитоплазмы. Например, один из возможных механизмов замедленной диффузии таков: в процессе диффузии молекулы постоянно натыкаются на менее подвижные препятствия, которые их ненадолго привязывают к себе и затем вновь выпускают. Чтобы выяснить, так это или нет, потребуются дополнительные эксперименты.

Интерес к точному закону диффузии молекул в клетке далеко не праздный. Более медленная диффузия означает, что молекулам требуется существенно больше времени, чем считалось ранее, чтобы достичь цели. Но, достигнув ее, молекулы, в силу того же самого закона, будут дольше находиться рядом с целью, а значит, имеют бoльшую вероятность выполнить «свое предназначение». Обе эти особенности важны для правильного понимания физиологии бактерий.