Эксперимент показал, как амебы преодолевают печально известный лабиринт

Ученые проверили, сможет ли амеба пройти один из самых запутанных лабиринтов в истории.

Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем пишет ScienceAlert.

Хемотаксис — способность клеток ориентироваться, чувствуя присутствие или отсутствие химических аттрактантов в окружающей среде. Сперматозоиды используют хемотаксис для поиска яйцеклеток, лейкоциты — для группировки вокруг очагов инфекции, а раковые клетки — для метастазирования через уязвимые ткани.

Чтобы проверить возможности хемотаксиса, исследователи создали миниатюрные версии лабиринта из живой изгороди в бывшей резиденции короля Генриха VIII Хэмптон-Корт (известной тем, что там заблудился герой книги «Трое в лодке, не считая собаки»), а также десятки других микроскопических лабиринтов различной сложности.

Когда амебы были выпущены в эти лабиринты, они устремились к выходам с невероятной точностью, используя хемотаксис, чтобы «заглядывать за угол» и избегать тупиков, рассказал автор исследования Роберт Инсолл, профессор математической и вычислительной клеточной биологии в Университете Глазго в Шотландии. «Разбивая химические вещества перед собой, они узнают, какая ветвь лабиринта ведет в тупик, а какая — к выходу. Это совершенно невероятно», — прокомментировал Инсолл.

В новом исследовании ученые сосредоточились на специфической форме клеточной навигации, называемой «самогенерирующимся» хемотаксисом. Он опирается на простой факт: клетки хотят переместиться из областей с более низкой концентрацией аттрактанта (в данном случае кислого раствора, называемого аденозинмонофосфатом) в области с более высокой концентрацией. «Это похоже на старую поговорку: "трава всегда зеленее по ту сторону забора", — сказал Инсолл. — Коровы съели всю траву там, где они есть, и они хотят попасть на соседнее поле, где трава все еще растет».

Но иногда есть несколько «полей» на выбор (в рамках исследования это несколько ветвящихся путей лабиринта). Чтобы определить, какая ветвь содержит более высокую концентрацию аттрактанта, клетки разрушают молекулы перед ними, заставляя аттрактант из соседних областей диффундировать к ним.

По мере того, как клетки продвигаются вперед, аттрактант впереди них истощается все больше и больше; в конце концов, короткие тупиковые ветви лабиринта полностью пустеют. Столкнувшись с короткой, истощенной ветвью и длинной, заполненной аттрактантами ветвью, клетки никогда не пойдут по тупиковому пути, сказал Инсолл.

Сначала исследователи проиллюстрировали феномен с помощью компьютерных моделей, а затем провели реальный эксперимент. Они создали более 100 микроскопических лабиринтов, вытравив канавки на кремниевом чипе, причем каждый путь имел ширину от 10 до 40 микрон. (Для сравнения, самые тонкие человеческие волосы имеют ширину около 20 микрон.)

Лабиринты варьировались от простых (всего несколько разветвляющихся тропинок перед выходом) до трудных (с длинными тупиковыми тропинками, как лабиринт Хэмптон-Корт) и непреодолимых (по словам Инсолла, к таковым можно причислить копию шотландского лабиринта Тракуэр-Хаус — все амебы погибали, прежде чем удавалось выбраться).

Исследователи отлили эти крошечные лабиринты в резину, а затем залили их жидким аттрактантом, который был введен по трубопроводу от выхода из лабиринта. В начале каждого лабиринта почвенные амебы под названием Dictyostelium discoideum выстраивались в ряд и начинали плыть вперед, разрушая молекулы жидкости перед собой. Прохождение длинных лабиринтов заняло около 2 часов, а коротких — 30 минут.

Реальные клетки действовали точно так, как предсказывали модели: когда они сталкивались с выбором между коротким тупиковым путем и длинным путем, ведущим к выходу, то всегда выбирали длинный путь. В более сложных лабиринтах, которые включали тупиковые пути, которые были такими же длинными, как и правильный путь, клетки делали правильный выбор в 50% случаев. В обоих случаях клетки, вошедшие в лабиринт первыми, с наибольшей вероятностью достигали выхода; клетки, которые отставали, обнаружили, что даже правильный путь уже был исчерпан их конкурентами, не оставляя отставшим информации о том, куда идти.

«Информация, которую клетки могут прочитать, разрушая химические вещества, намного сложнее, чем кто-либо думал, — сказал Инсолл. — Это заставляет нас полагать, что в большинстве биологических задач, где клетки должны найти свой путь из одного места в другое, почти наверняка используется механизм, подобный этому».

Ранее биологи исследовали клеточный метаболизм.