В 2006 году Деннис Дишер и его коллеги из Пенсильванского университета опубликовали результаты важного и очень наглядного эксперимента². Авторы выращивали стволовые клетки, из которых могут формироваться как нейроны, так и клетки – предшественницы мышечной либо костной тканей, на субстратах (специальных гелях) разной жесткости, не меняя при этом состав окружающего их бульона. Оказалось, что стволовые клетки, выращенные на самых мягких субстратах, сходных по степени жесткости с мозговой тканью, превращались в нейроны; клетки, выращенные на средах средней жесткости, давали начало предшественницам мышечных клеток, а выращенные на самых жестких субстратах, сходных по жесткости с минерализованной костью, – предшественницам клеток костей.

Эти новообретенные идентичности проявлялись не только в форме клеток – ветвистой у нейронов, удлиненной у мышечных клеток и условно многоугольной у костеобразующих, – но и в профиле экспрессии их генов. Мы уже видели чудеса самосборки: клетки организуются в структуры, словно ткань, которая сама по себе сшивается в одежду. Но оказывается, эта ткань еще чудеснее, чем мы предполагали: на мягком матрасе она превращается в ночную рубашку, а на твердом черепе – в шлем.

В определении клеточной судьбы участвуют не только биохимические, но и механические сигналы³. Механика управляет и многими другими клеточными процессами, от распознавания прикосновений до восприятия звуковых волн, от ощущения гравитации растениями до различения верха и низа. В последние два десятилетия процветает механобиология – область, изучающая механическую сигнализацию. Многое остается неизвестным, но некоторые ключевые моменты уже прорисовываются. Один из них – важность каналообразующих мембранных белков (см. главу 2), конфигурация которых может зависеть от натяжения мембраны. Связь белков с внутренней или внешней средой позволяет открывать и закрывать трансмембранные ворота. Канальные белки могут реагировать на напряжение в липидном бислое: например, при растяжении бислой может утончаться, и соответствующее укорочение его гидрофобной сердцевины (см. главу 5) может подталкивать белки к принятию иной конформации⁴.

Второй обширный вопрос – передача информации о силах по сети физических контактов между внутренней и внешней средами клетки. Трансмембранные белки могут связываться – часто через посредников – как с внеклеточным матриксом, так и с внутренним скелетом клетки. Ощущая изменение натяжения в клетке или прилегающих структурах, белки способны менять конформацию. При такой перестройке могут, например, обнажаться места, ранее не доступные для взаимодействий, что приводит к изменениям в параметрах связывания или химической активности белков, а далее – к активации или подавлению факторов транскрипции. Представьте, что у растянутого белка открывается сайт связывания с белком – репрессором транскрипции (на рисунке слева); изолированный таким взаимодействием репрессор уже не может связаться с ДНК. Если же белок расслаблен, сайт связывания скрыт, и свободный репрессор может, случайно блуждая, добраться до ДНК и заблокировать экспрессию своего гена-мишени (справа). Рисунок предельно упрощен по сравнению с не до конца понятным еще и очень сложным реальным механизмом клеточного ответа, но суть отражает неплохо.

Белки растягиваются, даже когда все кажется неподвижным. Внутриклеточные механизмы никогда не пребывают в покое: моторные белки (см. главу 2) перемещаются, компоненты цитоскелета растут и сокращаются – да и вся клетка постоянно вытягивается. Сети внеклеточного матрикса не активничают, однако их жесткость определяет силу, равную и противоположно направленную той, с которой они невольно действуют, и задает тем самым натяжение чувствительных связующих с податливой структурой.

Механические сигналы и вещественные характеристики окружения формируют часть регуляторной схемы жизни и закладываются в решения, принимаемые клетками в ходе самосборки. Изучить процессы в деталях непросто, но в новейших исследованиях вырисовывается их общий вид. Рассмотрим вашу кожу, слоистую ткань, которая постоянно теряет поверхностные клетки и восполняет потери благодаря стволовым клеткам, залегающим в глубине. Когда кожа надолго растягивается, в ней образуются дополнительные клетки – создается больше кожи. Эта реакция способствует не только решению кожей ее повседневных задач, но и благоприятным исходам пластических операций.

Чтобы понять, как это работает, группы Бенджамина Саймонса из Кембриджского университета и Седрика Бланпена из Брюссельского свободного университета исследовали мышей, которым под кожу вводили расширяющийся гель⁵. Ученые обнаружили, что растяжение кожи приводит к усилению экспрессии генов, которые кодируют моторный белок и белки, участвующие в клеточной адгезии и формировании нитей цитоскелета. Кроме того, растяжение учащало деление стволовых клеток и увеличивало долю их стволовых потомков, готовых производить еще больше кожи. Связующим звеном между растяжением и выбором клеточной судьбы служили специфические факторы транскрипции, которые ученые смогли идентифицировать. Когда мышей лишали этих факторов, стволовые клетки переставали реагировать на растяжение кожи. Пока неясно, как эти регуляторные белки связаны с динамикой цитоскелета, но мы хотя бы начинаем находить отдельные фрагменты мозаики и можем надеяться, что дальнейшая разработка этой темы приведет, например, к совершенствованию методов лечения, требующих ускоренного восстановления кожи.

Жесткость не единственная физическая характеристика, которую клетки принимают в расчет в ходе развития. Мы состоим как из твердых, так и из жидких веществ. Кровь циркулирует по артериям и венам, и этот поток жидкости может подталкивать стволовые клетки к превращению в клетки, выстилающие кровеносные сосуды⁶. Все наши ткани, органы и внутренние пространства обладают специфическими жесткостью, вязкостью, эластичностью и другими физическими характеристиками, возникающими в прочной связке с развитием их клеточной архитектуры. Пока мы пытаемся глубже понять это сопряжение, заметно прогрессируют подходы к конструированию многоклеточных структур, чему сильно способствует стремительное расширение знаний о роли физической среды в развитии органов.

Если вам нужно новое сердце, почему бы его не вырастить? Мечта об органах, растущих в «чане» (биореакторе) и самостоятельно принимающих нужную форму, подобно фруктам в саду, невероятно привлекательна. Представьте, что вы можете заменить поврежденный глаз новым – вероятно, даже выращенным из ваших же клеток – или получить вместо раздробленного пальца орган из плоти и кости, а не чуждый телу протез. Помимо починки повреждений, сборка органов вне тела позволила бы нам изучать их развитие и испытывать лекарства без практических и этических затруднений, свойственных исследованиям органов внутри животных. Хотя наша реальность по-прежнему далека от такого наброска будущего, мы стремительно ускоряемся на этом пути, особенно преуспевая в отношении самособирающихся кластеров клеток – органоидов – и частично собираемых человеком органов на чипе.

Мы уже не один десяток лет выращиваем в лабораториях клетки животных (а также растений и грибов). Многое из того, что мы знаем о клеточной биологии – в том числе о структуре и динамике цитоскелета и о транспортировке грузов, – нам поведали как раз такие «культивируемые» клетки. Однако традиционно их наращивают в двумерном пространстве: размножающиеся клетки распределяются по чашке Петри, гелевой пластине или иной плоской поверхности, омываемые питательным бульоном.

Очевидно, такой подход не лишен ограничений. Слой клеток сердечной мышцы может ритмично растягиваться и сжиматься, но при этом не может сформировать такие, как в сердце, трубки и камеры. И объясняется это не только плоской геометрией. Как вы помните из прошлой главы, клеточные решения часто зависят от конфигурации контактов с соседями и градиентов морфогенов, но в двумерной и трехмерной средах эти характеристики различаются. Молекулярные, химические и механические сигналы трехмерной среды выступают важнейшими факторами в развитии органа.