Simulace provedená v Centru pro výpočetní biologii (Flatiron Institute) pomocí softwaru SkellySim. Kredit: Dutta a kol. 2024

Máme rádi systém. Třídíme druhy, rody a čeledi, říkáme tomu systematika a pracují s ní zoologové, botanici, mykologové i mikrobiologové. Škatulkujeme orgány, tkáně a buněčné typy, což nám pomáhá se dorozumět a soustavně pracovat na jejich poznání v oblasti anatomie či histologie. Následně přichází lékaři, kteří při popisu chorob tyto systémy používají a staví na nich své klasifikace nemocí.

Mikrotubuly myšího vajíčka (průměr 90 µm), které nejen že drží vajíčko pohromadě a ve tvaru koule, ale rovněž slouží jako vodící dráhy pro motorové proteiny a transportní váčky. Trojrozměrná síť cytoskeletu mimoto parceluje cytoplasmu, která podél mikrotubulů víří. Kredit: J.N.

Často je na začátku všeho „chaos“, ať už je to popis fyziologického nebo patologického stavu. Uvozovky, kterými je slovo ‚chaos‘ orámováno, jsou na místě; to, co se nám zdá na začátku jako zmatek, je totiž výsledek vysoké míry komplexity. Je příznačné a úsměvné zároveň, že čím komplexnější biologická jednotka (jedinec, orgán, tkáň/pletivo, buňka) je, tím větším chaosem na nás působí při prvním pohledu. A tím více informací potřebujeme k tomu, abychom tuto jednotku popsali.

Matematici z Princeton University a Flariton Institute v New Yorku se pokusili o složitý úkol: popsat cytoplasmu buňky. Vybrali si jednu z největších buněk – vajíčko (zde oblíbeného a dostupného modelu octomilky Drosophila melanogaster), kde je cytoplasmy dostatek, a „chaos“ opravdu rozluštili! Jakkoliv to může znít banálně, cytoplasma nebyla vůbec lehkou volbou.

Cytoskelet kožních fibroblastů. Takto členitá buňka to má s vířením o poznání složitější než dokonale kulaté vajíčko, ale nepochybujme, že víří. Jádra jsou obarvena modře, mikrotubuly oranžově (acetylovaný α-tubulin) a zeleně (γ-tubulin). Kredit: Jan Tůma (Lékařská fakulta v Plzni).

Cytoplasmu považujeme za pouhou náplň buňky, s vlastnostmi fyziologického roztoku, ve kterém plavou organely a všemožné molekuly s nepřeberným množstvím biologických funkcí. Pokud jsme v úvahách o cytoplasmě svědomitější, narazíme na uspořádanou strukturu cytoskeletu – stavebních bílkovin tvořících lešení uvnitř buňky a rozdělujících tak i cytoplasmu.

Video je přístupné zde

Časový průběh konfigurací mikrotubulů ukotvených na vnitřním povrchu koule v řezu pro simulaci s parametry p¯=15 a σ¯=45 (případ II). Časová značka ukazuje čas normalizovaný na relaxační čas jednoho mikrotubulu. Kredit: Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02372-1

Stále se však spokojíme s vědomím, že cytoplasma je jen tekutina a prostředí pro důležitější elementy, ať už organely anebo cytoskelet. Organely (endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex a mnohé další), včetně malých intracelulárních váčků od nich odvozených, bezpochyby interagují s cytoskeletem - ať už za účelem ukotvení, anebo s cílem dopravit náklad z bodu A do bodu B. Takový pohyb zabezpečuje přísun látek do buňky stejně jako distribuci produktů (např. trávicí hormony buněk slinivky nebo hormony buněk hypofýzy) vně buňky. Koho by ale napadlo, že je cytoplasma kolem veškerého pohybu uvnitř buňky strhávána a sama uváděna v pohyb.

Z celkového pohledu buňky se tak cytoplasma koordinovaně pohybuje. Takový pohyb může evokovat proudy nebo víry a velmi záleží na tom, jak jsou tyto víry sehrané. Tyto víry nejsou žádná tornáda – jejich rychlost dosahuje maxima 300 nm/s, což odpovídá jednomu milimetru za hodinu.

Pracoviště a kontakt na autora.

Rychlost ale rozhodně není parametr, který by rozhodoval o nutnosti proudění uvnitř buňky. Mnohem důležitější je stabilita tohoto proudění a jeho spolehlivost (řekněme robustnost). To je dáno ustáleným prostředím cytoskeletu ve zdravé buňce a soustavným pohybem intracelulárních váčků po mikrotubulech pomocí motorových proteinů. Jakmile toto funguje, můžeme si být jistí, že cytoplasma se rozproudí vždy stejně. Není divu, že buňka našla pro tak stálý jev využití - a je to znovu transport!

Vedle vnitrobuněčného transportu pomocí váčků a cytoskeletu, který víření způsobuje, představuje samo víření další způsob, jak uvnitř buňky distribuovat proteiny. Tyto mechanické vlastnosti cytoplasmy vrhají jiné světlo na buněčné procesy, které bychom při své pošetilosti mohli mylně považovat za dávno vyřešené: extracelulární exkrece, mezibuněčná signalizace, parakrinní regulace, produkce hormonů, či přenos signálu pomocí neurotransmiterů.

Literatura

Sayantan Dutta et al, Self-organized intracellular twisters, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02372-1