Клеточная цитоплазма плотнее ядра: парадоксальный вывод ученых26.09.2025 12:16

Подобно тому, как жизнь пульсирует в больших оживленных городах, она процветает и в тесных пространствах внутри клеток. Клетки плотно заполнены биомолекулами — белками и нуклеиновыми кислотами. Как распределяется весь этот материал внутри клетки и что регулирует его распределение?

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые методично измеряют субклеточную плотность биосубстратов. Авторы решили понять, как протекают биомолекулярные процессы в клетках самых разных эукариотических организмов — от примитивных дрожжевых грибов до человека.

В вузовских учебниках биологии ядро клетки описывается как центральная структура, содержащая внушительное количество ДНК, «намотанной» на гистоновые белки. Цитоплазма же представляется неким аморфным колышущимся желе, окружающим твердое ядро. На самом деле клетка устроена не совсем так. Международная группа исследователей при участии Центра физики и медицины имени Макса Планка в Эрлангене (MPZPM), Института биологии инфекций имени Макса Планка в Берлине (MPIIB), Института света в Эрлангене (MPL) и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке выяснили, что, вопреки ожиданиям, ядро менее плотное, чем цитоплазма. Несмотря на богатый биомолекулярный состав, ядра содержат меньше «сухой» массы, чем такой же объем цитоплазмы.

Симона Ребер из Института молекулярной биологии и биотехнологии Общества Макса Планка в Берлине пояснила, почему важно понимать, насколько многообразна клеточная среда. По ее словам, физические условия внутри клетки напрямую определяют ее биомолекулярную структуру, динамику и функции. Главное открытие проведенного исследования заключается в том, что, хотя абсолютная внутриклеточная плотность у разных видов сильно различается, соотношение ядерной и цитоплазматической плотности у всех живых организмов одинаковое.

Василий Забурдаев из MPZPM добавил, что, хотя каждый организм уникален по биомолекулярному составу, вполне вероятно, что плотность и объем ядра определяются фундаментальными физическими принципами баланса внутриклеточного давления.

Свет измеряет плотность

Как можно измерить плотность микроскопических объектов, таких как отдельные клеточные компартменты? Для этого ученые используют свет. Свет не только позволяет изучать клетки, но и дает возможность манипулировать ими. Лазерный луч способен «притягивать» клетки и измерять их механические свойства с помощью так называемых «оптических носилок» (optical stretcher).

Йохен Гук, сотрудник MPZPM и директор MPL в Эрлангене, признался, что ранее команда пыталась использовать оптический ретрактор для изучения ядер, но безуспешно. Физически правдоподобное, но в то же время биологически парадоксальное объяснение заключалось в том, что ядро имело меньшую плотность, чем окружающий его материал.

Исследователи разработали оптическую установку, которая позволила им получать трехмерные распределения плотности внутри клеток с высоким разрешением, сочетая оптическую дифракционную томографию и конфокальную флуоресцентную микроскопию.

Несмотря на то, что соотношение плотности нуклеоцитоплазмы сохраняется как у дрожжей, так и у клеток человека, при заболеваниях наблюдаются отклонения. Во время стрессовых состояний клеток, в том числе при клеточном старении, ядра становятся плотнее цитоплазмы. Таким образом, исследование указывает на фундаментальную важность плотности как переменной, определяющей здоровые клеточные процессы. Это может стать ключом к диагностике заболеваний на клеточном уровне.

Теперь ученые хотят понять, как клетки создают и поддерживают определенное внутриклеточное распределение плотности, чтобы расшифровать дальнейшие биофизические механизмы, регулирующие функции клеток как в здоровом, так и в патологическом состоянии.

Недавно мы рассказали, как молекулярная «лупа» поможет в ранней диагностике заболеваний.