Чудеса молекулярного мира в мультипликации

Некоторые биологические структуры настолько малы, что учёные не могут увидеть их даже с помощью самых мощных микроскопов. Тут и пригождается творчество молекулярного аниматора и стипендиата TED Джанет Ивасы. Изучайте обширные невидимые молекулярные миры, пока она делится завораживающими мультипликациями, предполагая, как это всё может работать.

Я живу в штате Юта,

который известен своими
природными ландшафтами,

одними из наиболее впечатляющих
на нашей планете.

Легко быть потрясённым
этими удивительными пейзажами

и быть очарованным этими
чуть ли не инопланетными образованиями.

Как учёный я люблю наблюдать природу.

Но как клеточный биолог,

я больше заинтересована
в понимании мира природы

в гораздо меньшем масштабе.

Я молекулярный аниматор
и работаю с другими исследователями

над созданием визуализации
молекул, которые так малы,

что фактически невидимы.

Эти молекулы меньше
чем длина волны света, а это значит,

что их нельзя увидеть непосредственно,

даже в лучших оптических микроскопах.

Так как же я делаю визуализацию того,

что практически невидимо?

Учёные, такие как мои коллеги,

могут потратить всю
профессиональную жизнь

на то, чтобы понять
всего один молекулярный процесс.

Для этого они проводят
серии экспериментов,

каждый из которых —
маленький кусочек головоломки.

Один эксперимент
может рассказать о форме белка,

другой эксперимент расскажет

о взаимодействии с иными белками,

а третий эксперимент расскажет,
где это найти в клетке.

И вся эта информация
используется для выдвижения гипотезы,

то есть истории о том,
как молекула может работать.

Моя работа — взять эти идеи
и превратить их в анимацию.

Это бывает сложно,

потому что оказывается, молекулы
делают совершенно безумные вещи.

Но эти анимации могут быть
очень полезны для исследователей,

для того, чтобы донести идеи,
как работают эти молекулы.

Они также позволяют нам
увидеть молекулярный мир

глазами самих молекул.

Я хотела бы показать некоторые анимации,

краткий обзор того,
что я считаю чудесами природы

молекулярного мира.

Во-первых — иммунная клетка.

Эти виды клеток
должны ползать в наших телах,

чтобы найти захватчиков,
таких как патогенные бактерии.

Управляет движением
один из моих любимых белков,

он называется актин

и является частью того,
что известно как цитоскелет.

В отличие от наших скелетов,

актиновые филаменты, или нити,
постоянно строятся и разбираются.

Актиновый цитоскелет играет
невероятно важную роль в наших клетках.

Он позволяет им менять форму,

двигаться, прилипать к поверхностям,

а также поглощать бактерии.

Актин также участвует
в различных видах движения.

В клетках мышц актиновые структуры
образуют правильные филаменты,

которые выглядят как ткань.

Когда наши мышцы сокращаются,
эти филаменты стянуты,

и они возвращаются в исходное положение,

когда мышцы расслабляются.

Другие части цитоскелета,
в этом случае микротрубочки,

ответственны за дальние перемещения.

Они могут рассматриваться
как главные магистрали

для перемещений через всю клетку.

В отличие от наших дорог,
микротрубочки растут и сжимаются,

появляясь, когда они нужны,

и исчезая, когда их работа сделана.

Молекулярная версия полуприцепов —

это белки, так и названные
моторными белками,

которые могут ходить по микротрубочкам,

перетаскивая иногда огромные грузы,

такие как органеллы, позади себя.

Этот конкретный моторный белок
известен как динеин,

он может работать вместе в группах,

что выглядит, по крайней мере для меня,
как колесница с лошадьми.

Как видите, клетка — это крайне
изменчивое, динамичное образование,

где всё постоянно строится и разбирается.

Но некоторые из этих структур

труднее разобрать на части, чем другие.

Чтобы обеспечить своевременный
демонтаж структур,

привлекаются специальные силы.

Эта работа отчасти делается
белками, вроде этих.

Эти белки в форме пончиков —

в клетке их много разных типов —

все, кажется, действуют одинаково,

тянут отдельные белки
через своё центральное отверстие.

Когда эти белки не работают
должным образом,

те белки, которые должны быть разобраны,

могут иногда слипаться и агрегировать,

что может привести к таким страшным
заболеваниям, как болезнь Альцгеймера.

А теперь давайте посмотрим на ядро,

где находится наш геном в форме ДНК.

Во всех наших клетках

ДНК поддерживается набором белков,
о котором, в свою очередь, и заботится.

ДНК наматывается на белки,
которые называются гистоны

и которые позволяют клеткам упаковывать
большое количество ДНК в наше ядро.

Эти машины называются
ремоделеры хроматина.

Они передвигают структурные части ДНК

вокруг и вдоль гистонов

и позволяют получить доступ
к новым участкам ДНК.

Эту ДНК затем могут распознать
другие машины.

В данном случае эта
большая молекулярная машина

ищет сегмент ДНК,

который говорит ей,
что находится в начале гена.

Как только она находит сегмент,

она производит последовательные
изменения формы,

которые открывают доступ другим машинам,

что, в свою очередь, позволяет этот ген
включить или расшифровать.

Это должен быть очень жёстко
регулируемый процесс,

потому что включение неверного гена
в неверное время

может иметь катастрофические последствия.

Учёные теперь могут
использовать белковые машины

для редактирования геномов.

Я уверена, что все вы слышали о CRISPR.

CRISPR использует белок,
известный как Cas9,

который проектируется так,
чтобы распознавать и разрезать

очень специфическую
последовательность ДНК.

В этом примере

два белка Cas9 используются,
чтобы вырезать проблемный кусок ДНК.

Например, часть гена,
которая может вызвать болезнь.

Клеточная техника затем используется,

чтобы заново склеить два конца ДНК.

Одна из моих трудностей

как молекулярного аниматора —
визуализация неопределённости.

Все анимации, которые я вам показала, —
гипотезы моих коллег о том,

как работает процесс

на основании лучшей
информации, что у них есть.

Но для многих молекулярных процессов

мы всё ещё находимся
на ранних стадиях понимания вещей,

и многое ещё надо изучать.

Правда в том,

что эти невидимые молекулярные миры
обширны и не исследованы.

Для меня эти молекулярные пейзажи

так же интересно исследовать,
как и мир природы,

который мы все видим.

Спасибо.

(Аплодисменты)