В последнем выпуске журнала «Nature Physics» опубликована подборка обзорных статей про биофизику клетки. Из этой огромной области были выделены лишь четыре конкретные темы: биомеханика живой клетки, физика вирусов, динамика (природных) нейронных сетей и моделирование фолдинга белков. Вся подборка находится в свободном доступе; можно скачать ее в виде единого pdf-файла или читать отдельные статьи. Вот краткий их пересказ.Биомеханика клетки. Про живую клетку обычно рассказывают с точки зрения биологии: как она делится, как питается, как умирает, какие в ней происходят биологические процессы, в общем — как она живет. Но жизнь — жизнью, а клетка кроме всего этого является еще и сугубо материальным объектом: со своими механическими и электрическими свойствами, со своими неравновесно-термодинамическими процессами внутри нее. И тут, оказывается, есть куча интересных с точки зрения физики тем для изучения. Можно взять, например, вискоэластические (т.е. упруго-текучие) свойства клетки, которые описывают то, как клетка поддается на внешнее механическое воздействие. Оказывается, эти свойства не какие-то произвольные, а специально адаптированы для более эффективной работы клетки. Более того — клетки могут сами их настраивать. Например, клетки на коллагеновую подложке цепляются за нее по-разному в зависимости от упругости подложки и в зависимости от внешних сил, ее деформирующих. Прикладывая внешнюю силу к подложке, мы локально ее растягиваем; клетка это чувствует через свои механические контакты, этот сигнал передается в клетку и она модулирует экспрессию тех или иных белков. Возникает белковый ответ на внешнее воздействие, который может менять механические свойства клетки — например, увеличивает ее жесткость клетки в сотню раз или же резко ослабляет ее «липкость».Эта «игра с клеткой» исключительно важна для понимания распространения раковых опухолей. Сейчас предполагается, что в раковых клетках может запускаться такой механизм, при котором клетка в ответ на гомеостатическое давление, оказываемое делящимися клетками-соседями, резко теряет свою липкость, отцепляется от соседей и разносится по организму — т.е. образует метастазы.
Механический отклик контрактильной клетки в опухоли в ответ на механическое воздействие, вызванное лазерным импульсом. Источник рисунка.Подробнее про биомеханические изменения в раковых клетках написано в другой статье из подборки. Среди прочего там описывается недавнее предложение измерять биомеханический отклик клеток из подозрительных новообразований для раннего выявления ракового перерождения. Во многих случаях раковые клетки намного мягче обычных, и это можно заметить с помощью довольно простого и быстрого теста. Такой тест можно было бы применять для широкого скрининга раковых заболеваний. В статье «Физическая вирология» описываются механические свойства вирусных частиц, а точнее капсида — внешней белковой оболочки вируса. Эксперименты по продавливанию капсида на атомно-силовых микроскопах показывают, что для его описания можно применять модели из области обычного материаловедения. В капсиде можно заметить даже явление «усталости материала», с которым человеку регулярно приходится сталкиваться в повседневной жизни. На самом деле, даже удивительно, что макроскопические модели из материаловедения так хорошо работают для нанометровых объектов.
Результат продавливания капсида атомно-силовыми методами. Источник рисунка.В обзоре «Самовозникающая сложная нейронная динамика» рассказывается о том, как «выглядит» с точки зрения статистической физики общая картина спонтанной (т.е. не стимулированной) активности в головном мозге человека. Оказывается, эта активность не беспорядочна и не циклична; в ней наблюдаются неритмические колебания, характерные для так называемого критического состояния (этот пример был бы очень в тему в книжке Филипа Болла «Критическая масса»). Характерной особенностью критического состояния является отсутствие каких-то жестких временных и пространственных масштабов. Всё меняется и колеблется и на мелких расстояниях, и на масштабах всего мозга; на коротких и на длительных временах.
Закон распределения размера «лавин нейронного возбуждения» в нейронных сетях в экспериментах с разным числом электродов. Источник рисунка.Кстати, есть такой нейрофизиолог Дьёрдь Бусаки (Gyorgy Buzsaki) и у него есть популярная книжка «Ритмы мозга». В ней, кроме прочего, он высказывает такую спекулятивную мысль по поводу того, что такое (с точки зрения физики!) сознание у человека, т.е. ощущение собственного «я», ощущение того, что «я мыслю». Он говорит, что у животных нет такого безмасштабного паттерна спонтанной мозговой активности, как у человека. По его мнению, именно эта безмасштабная непрекращающаяся активность, которая гуляет по мозгу, может как-то «замечать саму себя». И тогда она ощущается нами как самоосознание. Это всё, конечно, очень спекулятивно, но интересно то, что нейрофизиология в принципе может тестировать такие гипотезы; это уже не просто фантазии, а нечто проверяемое. И это, конечно, жутко интересно!Последняя статья из подборки, «Трудности моделирования фолдинга белков», рассказывает о нелегкой доле вычислителей, которые из первых принципов (т.е. из взаимодействия атомов и молекул) пытаются вычислить, во что именно свернется тот или иной белок. Главная светлая мечта в этом направлении — научиться вычислять биологическую функцию той или иной молекулы, исходят из чистой атомной физики. Это исключительно сложная вычислительная задача, и как ее упростить и можно ли это сделать вообще — совершенно непонятно. Я тут дам лишь пару ссылок на популярные заметки про недавние работы: Миллисекундный барьер взят! и Помогать науке можно играя (кстати, классная штука по ссылке, рекомендую поиграться).И напоследок, если для вас словосочетание «вычислить жизнь» звучит слишком фантастично, почитайте мой старый пост про одну интересную новость.
Комментарии (0)