Жидкие капли внутри клеток подчиняются единым физическим правилам — теоретики нашли их

Клеточная биохимия уже несколько десятилетий знает: многие реакции в клетке происходят не равномерно по всему цитоплазматическому пространству, а в специализированных «компартментах» — органеллах, окружённых мембранами. Но последние годы принесли важное дополнение: существуют и немембранные компартменты — жидкие капли-конденсаты, которые формируются через разделение фаз. Это те самые стрессовые гранулы, ядрышки и P-тельца, которые всё активнее изучает молекулярная биология. Новое теоретическое исследование, описанное на Phys.org, предлагает первые общие физические правила для предсказания химических реакций внутри таких конденсатов. Подробнее о смежной теме ранее писали «Пронедра» в материале о рибосомной генной схеме для распознавания сигналов.

Авторы разработали теоретическую рамку, основанную на физике мягкой материи — в частности, на теории разделения фаз и диффузии в неоднородных средах. Ключевое наблюдение: когда конденсат формируется из раствора, он избирательно концентрирует одни молекулы и исключает другие. Это кардинально меняет локальные концентрации реагентов по сравнению с окружающей цитоплазмой.

Теоретики показали, что скорость ферментативной реакции внутри конденсата описывается модифицированным уравнением Михаэлиса–Ментен с поправочными коэффициентами, зависящими от двух параметров: коэффициента разделения (насколько фермент и субстрат предпочитают быть внутри или снаружи конденсата) и диффузионной ограниченности (насколько быстро молекулы движутся внутри плотной капли).

Это позволяет предсказывать:

• в каких условиях конденсат ускоряет реакцию (ферменты и субстраты концентрируются);
• в каких — замедляет (конденсат изолирует фермент от субстрата);
• при каких параметрах конденсат просто не влияет на скорость реакции.

Авторы проверили теорию на доступных экспериментальных данных — для нескольких ферментативных систем предсказания совпали с наблюдаемыми скоростями.

Результат — фундаментальный теоретический вклад. Насколько хорошо он работает для биологически сложных конденсатов с десятками компонентов — предстоит проверить.