Новое поколение трассировки родословных динамически записывает выбор судьбы клеток
1. Конклин Э. Организация и клеточная родословная яйца асцидий. Ж. акад. Нац. науч. Фила. 1905; 13: 1–119. [Google Scholar]
2. Kretzschmar K., Watt F.M. Отслеживание родословной. Клетка. 2012; 148:33–45. doi: 10.1016/j.cell.2012.01.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
3. Клейн А. М., Мазутис Л., Акартуна И., Таллапрагада Н., Верес А., Ли В., Пешкин Л., Вейц Д. А., Киршнер М. В. Капельное штрих-кодирование для одиночных -клеточная транскриптомика применительно к эмбриональным стволовым клеткам. Клетка. 2015; 161:1187–1201. doi: 10.1016/j.cell.2015.04.044. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
4. Салстон Дж.Э., Ширенберг Э., Уайт Дж.Г., Томсон Дж.Н. Линия эмбриональных клеток нематоды Caenorhabditis elegans. Дев. биол. 1983; 100: 64–119. doi: 10.1016/0012-1606(83)
5. Vogt W. Gestaltungsanalyse am Amphibienkeim mit Örtlicher Vitalfärbung: II.
Тейл. Гаструляция и мезодермбилдинг у уроделена и анурена. Арка Вильгельма Ру. Энтвикль. Орг. 1929; 120: 384–706. doi: 10.1007/BF02109667. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
6. Минц Б. Генетический мозаицизм у взрослых мышей четырехродственной линии. Наука. 1965; 148: 1232–1233. doi: 10.1126/science.148.3674.1232. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
7. Notta F., Doulatov S., Laurenti E., Poeppl A., Jurisica I., Dick J.E. Выделение одиночных гемопоэтических стволовых клеток человека, способных к длительному многолинейному приживлению . Наука. 2011; 333: 218–221. doi: 10.1126/science.1201219. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
8. Дуарин Н.М.Л. Онтогенез нервного гребня химеры зародышей птиц. Природа. 1980;286:663–669. doi: 10.1038/286663a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Notta F., Mullighan C.G., Wang J., Poeppl A., Doulatov S., Phillips L.A., Jing M., Minden M., Downing J.R., Dick J.E. Evolution клеток, инициирующих лимфобластный лейкоз BCR-ABL1 человека.
Природа. 2011; 469:362–367. doi: 10.1038/nature09733. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. ВанХорн С., Моррис С.А. Отслеживание родословной следующего поколения и картирование судьбы для исследования развития. Дев. Клетка. 2021; 56: 7–21. doi: 10.1016/j.devcel.2020.10.021. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
11. Коэн С.Н., Чанг А.С.Ю., Бойер Х.В., Хеллинг Р.Б. Конструирование биологически функциональных бактериальных плазмид in vitro. проц. Натл. акад. науч. США. 1973; 70: 3240–3244. doi: 10.1073/pnas.70.11.3240. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
12. David L., Turner C.L.C. Общий предшественник нейронов и глии сохраняется в сетчатке крысы на поздних стадиях развития. Природа. 1987; 328: 131–136. дои: 10.1038/328131a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
13. Weinreb C., Rodriguez-Fraticelli A., Camargo F.D., Klein A.M. Отслеживание наследственности на транскрипционных ландшафтах связывает состояние с судьбой во время дифференциации.
Наука. 2020;367:eaaw3381. doi: 10.1126/science.aaw3381. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
14. Родригес-Фратичелли А.Е., Вайнреб К., Ван С.В., Мигелес Р.П., Янкович М., Усарт М., Кляйн А.М., Лоуэлл С., Камарго Ф.Д. Отслеживание клонов одиночных клеток раскрывает роль TCF15 в гемопоэзе. Природа. 2020; 583: 585–589. doi: 10.1038/s41586-020-2503-6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
15. Biddy B.A., Kong W., Kamimoto K., Guo C., Waye S.E., Sun T., Morris S.A. личности в прямом перепрограммировании. Природа. 2018;564:219–224. doi: 10.1038/s41586-018-0744-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
16. Kong W., Biddy B.A., Kamimoto K., Amrute J.M., Butka EG, Morris S.A. -разрешение ячейки. Нац. протокол 2020;15:750–772. doi: 10.1038/s41596-019-0247-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
17. Oren Y., Tsabar M., Cuoco M.S., Amir-Zilberstein L., Cabanos H.F., Hutter JC, Hu B.
, Thakore P.I., Tabaka М., Фулко С.П. и др. Циклические персистирующие раковые клетки возникают из линий с различными программами. Природа. 2021;596: 576–582. doi: 10.1038/s41586-021-03796-6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
18. Вагнер Д.Е., Вайнреб К., Коллинз З.М., Бриггс Дж.А., Мегасон С.Г., Кляйн А.М. Одноклеточное картирование ландшафтов экспрессии генов и родословных у эмбрионов рыбок данио. Наука. 2018; 360:981–987. doi: 10.1126/science.aar4362. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
19. Livet J., Weissman T.A., Kang H., Draft R.W., Lu J., Bennis R.A., Sanes J.R., Lichtman J.W. Трансгенные стратегии комбинаторной экспрессии флуоресцентных белков в нервной системе. Природа. 2007; 450:56–62. дои: 10.1038/nature06293. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
20. Snippert H.J., van der Flier L.G., Sato T., van Es J.H., van den Born M., Kroon-Veenboer C., Barker N., Klein A.M. , van Rheenen J., Simons B.D., et al.
Гомеостаз кишечных крипт является результатом нейтральной конкуренции между симметрично делящимися стволовыми клетками Lgr5. Клетка. 2010; 143:134–144. doi: 10.1016/j.cell.2010.09.016. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
21. Хань С., Чжан З., Хэ Л., Чжу Х., Ли Ю., Пу В., Хань М., Чжао Х., Лю К., Ли Ю. и др. Набор новых драйверов рекомбиназы Dre заметно расширяет возможности выполнения перекрестного генетического нацеливания. Клеточная стволовая клетка. 2021;28:1160–1176.e7. doi: 10.1016/j.stem.2021.01.007. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
22. He L., Pu W., Liu X., Zhang Z., Han M., Li Y., Huang X., Han X., Li Y., Liu K., et al. Отслеживание пролиферации показывает региональное образование гепатоцитов в гомеостазе и восстановлении печени. Наука. 2021;371:eabc4346. doi: 10.1126/science.abc4346. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
23. Zhao H., Huang X., Liu Z., Pu W., Lv Z., He L., Li Y., Zhou Q., Lui K.O., Zhou B. Предварительно существовавшие бета-клетки, но не предшественники, вносят вклад в новые бета-клетки во взрослой поджелудочной железе.
Нац. Метаб. 2021; 3: 352–365. doi: 10.1038/s42255-021-00364-0. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
24. Pei W., Feyerabend T.B., Rossler J., Wang X., Postrach D., Busch K., Rode I., Klapproth K., Dietlein N., Quedenau C., et al. Штрих-кодирование Polylox выявляет судьбы гемопоэтических стволовых клеток, реализованные in vivo. Природа. 2017; 548: 456–460. doi: 10.1038/nature23653. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
25. Pei W., Shang F., Wang X., Fanti A.K., Greco A., Busch K., Klapproth K., Zhang Q., Кеденау К., Зауэр С. и др. Решение судеб и одноклеточных транскриптомов клонов гемопоэтических стволовых клеток с помощью штрих-кодирования PolyloxExpress. Клеточная стволовая клетка. 2020; 27: 383–395.e8. doi: 10.1016/j.stem.2020.07.018. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
26. Маккенна А., Финдли Г.М., Ганьон Дж.А., Хорвиц М.С., Шир А.Ф., Шендуре Дж. Отслеживание генеалогической линии всего организма с помощью комбинаторного и кумулятивного редактирования генома.
Наука. 2016;353:aaf7907. doi: 10.1126/science.aaf7907. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
27. Raj B., Wagner D.E., McKenna A., Pandey S., Klein A.M., Shendure J., Gagnon J.A., Schier A.F. Одновременная одноклеточная профилирование клонов и типов клеток в головном мозге позвоночных. Нац. Биотехнолог. 2018; 36: 442–450. doi: 10.1038/nbt.4103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
28. Alemany A., Florescu M., Baron C.S., Peterson-Maduro J., van Oudenaarden A. Отслеживание клонов всего организма с использованием секвенирования отдельных клеток. Природа. 2018; 556:108–112. doi: 10.1038/nature25969. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
29. Spanjaard B., Hu B., Mitic N., Olivares-Chauvet P., Janjuha S., Ninov N., Junker J.P. Одновременное отслеживание клонов и идентификация клеточных типов с использованием генетических рубцов, индуцированных CRISPR-Cas9. Нац. Биотехнолог. 2018; 36: 469–473. doi: 10.1038/nbt.4124. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
30.
Калхор Р., Калхор К., Мехиа Л., Липер К., Гравелин А., Мали П., Черч Г.М. Штрих-кодирование развития целой мыши с помощью самонаводящегося CRISPR. Наука. 2018;361:eaat9804. doi: 10.1126/science.aat9804. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
31. Leeper K., Kalhor K., Vernet A., Graveline A., Church GM, Mali P., Kalhor R. Lineage штрих-кодирования у мышей с самонаведение CRISPR. Нац. протокол 2021;16:2088–2108. doi: 10.1038/s41596-020-00485-y. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
32. Боулинг С., Сритаран Д., Осорио Ф.Г., Нгуен М., Чунг П., Родригес-Фратичелли А., Патель С., Юань В.К., Фудзивара Ю., Ли Б.Е. и др. Сконструированная линия мышей CRISPR-Cas9 для одновременного считывания истории происхождения и профилей экспрессии генов в отдельных клетках. Клетка. 2020;181:1410–1422.e27. doi: 10.1016/j.cell.2020.04.048. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
33. Чан М.М., Смит З.Д., Гроссвендт С., Крецмер Х.
, Норман Т.М., Адамсон Б., Йост М., Куинн Дж.Дж., Ян Д. , Джонс М.Г. и др. Молекулярная запись эмбриогенеза млекопитающих. Природа. 2019;570:77–82. doi: 10.1038/s41586-019-1184-5. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
34. Хван Б., Ли В., Юм С.Ю., Чон Ю., Чо Н., Джанг Г., Банг Д. Отслеживание родословной с использованием Cas9 система штрих-кодирования дезаминазы, нацеленная на эндогенные элементы L1. Нац. коммун. 2019;10:1234. doi: 10.1038/s41467-019-09203-z. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
35. He Z., Maynard A., Jain A., Gerber T., Petri R., Lin HC, Santel M., Ly K., Дюпре Дж.С., Сидоу Л. и др. Запись наследственности в органоидах головного мозга человека. Нац. Методы. 2022;19: 90–99. doi: 10.1038/s41592-021-01344-8. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
36. Frieda K.L., Linton J.M., Hormoz S., Choi J., Chow K.K., Singer Z.S., Budde M.W., Elowitz M.B., Cai L. Синтетическая запись и in situ считывание информации о происхождении в отдельных клетках.
Природа. 2017; 541:107–111. doi: 10.1038/nature20777. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
37. Liu K., Deng S., Ye C., Yao Z., Wang J., Gong H., Liu L., He X. Картирование клеточной филогении с разрешением одной клетки показывает динамику клеточной популяции во время развития органов. Нац. Методы. 2021; 18: 1506–1514. дои: 10.1038/s41592-021-01325-х. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
38. Jin H., Liu K., Zhou B. Отслеживание генетических линий на основе двойной рекомбиназы для исследования стволовых клеток с повышенной точностью. науч. Китайская наука о жизни. 2021 г.: 10.1007/s11427-020-1889-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
39. He L., Li Y., Li Y., Pu W., Huang X., Tian X., Wang Y., Zhang H., Liu Q., Чжан Л. и др. Повышение точности отслеживания генетической линии с использованием двойных рекомбиназ. Нац. Мед. 2017; 23:1488–1498. doi: 10.1038/nm.4437. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
40. Касасент А.
К., Шальк А., Гао Р., Сей Э., Лонг А., Пангберн В., Касасент Т., Мерик-Бернстам Ф., Эдгертон М.Е., Навин Н.Е. Мультиклональная инвазия в опухоли молочной железы, идентифицированная топографическим секвенированием отдельных клеток. Клетка. 2018;172:205–217.e12. doi: 10.1016/j.cell.2017.12.007. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
41. Людвиг Л.С., Ларо К.А., Улирш Дж.К., Кристиан Э., Муус С., Ли Л.Х., Пелка К., Ге В., Орен Ю. , Брак А. и др. Отслеживание генеалогии у людей благодаря митохондриальным мутациям и одноклеточной геномике. Клетка. 2019;176:1325–1339.e22. doi: 10.1016/j.cell.2019.01.022. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
42. Навин Н., Кендалл Дж., Троге Дж., Эндрюс П., Роджерс Л., МакИнду Дж., Кук К., Степански А. , Леви Д., Эспозито Д. и др. Эволюция опухоли, полученная путем секвенирования отдельных клеток. Природа. 2011; 472:90–94. doi: 10.1038/nature09807. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
43.
Дудна Дж. А., Шарпантье Э. Редактирование генома. Новый рубеж инженерии генома с CRISPR-Cas9. Наука. 2014;346:1258096. doi: 10.1126/science.1258096. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
44. Флауэрс Г.П., Санор Л.Д., Крюс К.М. Отслеживание происхождения аллелей с отредактированным геномом показывает высокую точность конечности аксолотля. электронная жизнь. 2017;6:e25726. doi: 10.7554/eLife.25726. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
45. Perli S.D., Cui C.H., Lu T.K. Непрерывная генетическая запись с самонацеливанием CRISPR-Cas в клетках человека. Наука. 2016;353:1115. doi: 10.1126/science.aag0511. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
46. Junker J.P., Spanjaard B., Peterson-Maduro J., Alemany A., Hu B., Florescu M., van Oudenaarden A. Массивный параллельный клональный анализ с использованием CRISPR/Cas9-индуцированных генетических рубцов. bioRxiv. 2017 г.: 10.1101/056499. [CrossRef] [Google Scholar]
47. Schmidt S.T., Zimmerman S.
M., Wang J., Kim S.K., Quake S.R. Количественный анализ отслеживания происхождения синтетических клеток с использованием нуклеазного штрих-кодирования. АКС Синтез. биол. 2017; 6: 936–942. doi: 10.1021/acssynbio.6b00309. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
48. Радж Б., Фаррелл Дж. А., Лю Дж., Эль Холтей Дж., Карт А. Н., Навахас Аседо Дж., Ду Л. Ю., МакКенна А., Релик Д., Лесли Дж. М. и др. Возникновение разнообразия нейронов во время развития мозга позвоночных. Нейрон. 2020;108:1058–1074.e6. doi: 10.1016/j.neuron.2020.09.023. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
49. Kalhor R., Mali P., Church G.M. Быстро развивающиеся самонаводящиеся штрих-коды CRISPR. Нац. Методы. 2017;14:195–200. doi: 10.1038/nmeth.4108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
50. Квон Г.С., Виотти М., Хаджантонакис А.К. Энтодерма эмбриона мыши возникает в результате динамической широкой интеркаляции эмбриональных и внеэмбриональных клонов.
Дев. Клетка. 2008; 15: 509–520. doi: 10.1016/j.devcel.2008.07.017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
51. Сальвадор-Мартинес И., Грилло М., Авероф М., Телфорд М.Дж. Можно ли реконструировать точную клеточную линию с помощью регистраторов CRISPR? электронная жизнь. 2019;8:e40292. doi: 10.7554/eLife.40292. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
52. Zafar H., Lin C., Bar-Joseph Z. Отслеживание линии одиночных клеток путем интеграции мутаций CRISPR-Cas9 с транскриптомными данными. Нац. коммун. 2020;11:3055. doi: 10.1038/s41467-020-16821-5. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
53. Komor A.C., Kim Y.B., Packer M.S., Zuris J.A., Liu D.R. Программируемое редактирование целевого основания в геномной ДНК без расщепления двухцепочечной ДНК. Природа. 2016; 533:420–424. doi: 10.1038/nature17946. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
54. Вайнреб К., Кляйн А.М. Реконструкция родословной по клональным корреляциям.
проц. Натл. акад. науч. США. 2020;117:17041–17048. doi: 10.1073/pnas.2000238117. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
55. Zhang Y., Zeng F., Han X., Weng J., Gao Y. Отслеживание происхождения: технологический инструмент для изучения развития, регенерации, и заболевания пищеварительной системы. Корень. Сотовый рез. тер. 2020;11:438. doi: 10.1186/s13287-020-01941-y. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
56. Коттерелл Дж., Вила-Сехудо М., Батлле-Морера Л., Шарп Дж. Эндогенные массивы CRISPR/Cas9 для масштабируемого отслеживания генеалогической линии всего организма. Разработка. 2020;147:dev184481. doi: 10.1242/dev.184481. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
57. Ye C., Chen Z., Liu Z., Wang F., He X. Определение эндогенных сайтов штрих-кодирования для отслеживания клеточных линий на основе CRISPR/Cas9 у рыбок данио. Ж. Жене. Геном. 2020;47:85–91. doi: 10.1016/j.jgg.2019.11.012. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
Биологическая роль воды: Почему вода необходима для жизни?
от Molly Sargen
цифры от Daniel Utter
Вода составляет 60-75% массы тела человека.
Потеря всего 4% всей воды тела приводит к обезвоживанию, а потеря 15% может быть фатальной. Точно так же человек может прожить месяц без еды, но не проживет и трех дней без воды. Эта решающая зависимость от воды в целом управляет всеми формами жизни. Очевидно, что вода жизненно необходима для выживания, но почему она так необходима?
Многие роли воды в поддержании жизни обусловлены ее молекулярной структурой и некоторыми особыми свойствами. Вода представляет собой простую молекулу, состоящую из двух небольших положительно заряженных атомов водорода и одного большого отрицательно заряженного атома кислорода. Когда атомы водорода связываются с кислородом, образуется асимметричная молекула с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на другой (рис. 1). Эта разность зарядов называется полярностью и определяет, как вода взаимодействует с другими молекулами.
Рисунок 1: Химия воды. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного кислорода.
Эти атомы имеют разный размер и заряд, что создает асимметрию в молекулярной структуре и приводит к прочным связям между водой и другими полярными молекулами, включая саму воду. Вода – «универсальный растворитель» Будучи полярной молекулой, вода лучше всего взаимодействует с другими полярными молекулами, такими как она сама. Это происходит из-за явления, при котором противоположные заряды притягиваются друг к другу: поскольку каждая отдельная молекула воды имеет как отрицательную, так и положительную часть, каждая сторона притягивается к молекулам с противоположным зарядом. Это притяжение позволяет воде образовывать относительно прочные связи, называемые связями, с другими полярными молекулами вокруг нее, включая другие молекулы воды. В этом случае положительный водород одной молекулы воды свяжется с отрицательным кислородом соседней молекулы, чьи собственные атомы водорода притягиваются к следующему кислороду, и так далее (рис. 1). Важно отметить, что эта связь заставляет молекулы воды слипаться друг с другом в свойстве, называемом когезией.
Сплоченность молекул воды помогает растениям поглощать воду своими корнями. Сплоченность также способствует высокой температуре кипения воды, что помогает животным регулировать температуру тела.
Кроме того, поскольку большинство биологических молекул имеют некоторую электрическую асимметрию, они также полярны, и молекулы воды могут образовывать связи с положительными и отрицательными областями и окружать их. Окружая полярные молекулы другого вещества, вода проникает во все закоулки и закоулки между молекулами, эффективно разрушая его на части и растворяя. Вот что происходит, когда вы кладете кристаллы сахара в воду: и вода, и сахар полярны, что позволяет отдельным молекулам воды окружать отдельные молекулы сахара, разрушая сахар и растворяя его. Подобно полярности, некоторые молекулы состоят из ионов или противоположно заряженных частиц. Вода также разрушает эти ионные молекулы, взаимодействуя как с положительно, так и с отрицательно заряженными частицами. Вот что происходит, когда вы кладете соль в воду, потому что соль состоит из ионов натрия и хлора.
Широкая способность воды растворять множество молекул принесла ей название «универсальный растворитель», и именно эта способность делает воду такой бесценной жизненно важной силой. На биологическом уровне роль воды в качестве растворителя помогает клеткам транспортировать и использовать такие вещества, как кислород или питательные вещества. Растворы на водной основе, такие как кровь, помогают доставлять молекулы в нужные места. Таким образом, роль воды как растворителя облегчает перенос молекул, таких как кислород, для дыхания и оказывает большое влияние на способность лекарств достигать своих целей в организме.
Вода поддерживает клеточную структуру Вода также играет важную структурную роль в биологии. Визуально вода заполняет клетки, помогая сохранять форму и структуру (рис. 2). Вода внутри многих клеток (в том числе и тех, из которых состоит тело человека) создает давление, противодействующее внешним силам, подобно надуванию воздуха в воздушном шаре.
Однако даже некоторым растениям, которые могут поддерживать свою клеточную структуру без воды, для выживания все же требуется вода. Вода позволяет всему внутри клеток иметь правильную форму на молекулярном уровне. Поскольку форма имеет решающее значение для биохимических процессов, это также одна из самых важных ролей воды.
Вода также способствует образованию мембран, окружающих клетки. Каждая клетка на Земле окружена мембраной, большая часть которой состоит из двух слоев молекул, называемых фосфолипидами (рис. 3). Фосфолипиды, как и вода, имеют два отдельных компонента: полярную «голову» и неполярный «хвост». Из-за этого полярные головы взаимодействуют с водой, а неполярные хвосты стараются избегать воды и вместо этого взаимодействуют друг с другом.
Стремясь к этим благоприятным взаимодействиям, фосфолипиды спонтанно образуют бислои с головками, обращенными наружу к окружающей воде, и хвостами, обращенными внутрь, исключая воду. Двойной слой окружает клетки и избирательно позволяет таким веществам, как соли и питательные вещества, входить и выходить из клетки. Взаимодействия, участвующие в формировании мембраны, достаточно сильны, чтобы мембраны образовывались спонтанно и их нелегко было разрушить. Без воды клеточные мембраны не имели бы структуры, а без надлежащей структуры мембран клетки не могли бы удерживать важные молекулы внутри клетки и вредные молекулы снаружи клетки.
Помимо влияния на общую форму клеток, вода также влияет на некоторые фундаментальные компоненты каждой клетки: ДНК и белки.
Белки производятся в виде длинной цепочки строительных блоков, называемых аминокислотами, и для правильного функционирования им необходимо сворачиваться в определенную форму. Вода управляет свертыванием аминокислотных цепей, поскольку различные типы аминокислот ищут и избегают взаимодействия с водой. Белки обеспечивают структуру, принимают сигналы и катализируют химические реакции в клетке. Таким образом, белки являются рабочими лошадками клеток. В конечном итоге белки управляют сокращением мышц, общением, перевариванием питательных веществ и многими другими жизненно важными функциями. Без правильной формы белки не смогли бы выполнять эти функции, и клетка (не говоря уже о целом человеке) не смогла бы выжить. Точно так же ДНК должна иметь определенную форму, чтобы ее инструкции можно было правильно расшифровать. Белки, которые считывают или копируют ДНК, могут связываться только с ДНК определенной формы. Молекулы воды окружают ДНК упорядоченным образом, чтобы поддерживать ее характерную конформацию двойной спирали.
Без этой формы клетки не смогли бы следовать подробным инструкциям, закодированным в ДНК, или передавать инструкции будущим клеткам, что сделало бы человеческий рост, размножение и, в конечном счете, выживание невозможными.
Вода принимает непосредственное участие во многих химических реакциях по созданию и разрушению важных компонентов клетки. Фотосинтез, процесс в растениях, который создает сахара для всех форм жизни, требует воды. Вода также участвует в построении более крупных молекул в клетках. Молекулы, такие как ДНК и белки, состоят из повторяющихся звеньев более мелких молекул. Соединение этих небольших молекул происходит в результате реакции, в результате которой образуется вода. И наоборот, вода требуется для обратной реакции, которая расщепляет эти молекулы, позволяя клеткам получать питательные вещества или перепрофилировать части больших молекул.
Кроме того, вода защищает клетки от опасного воздействия кислот и оснований.
Сильнокислотные или щелочные вещества, такие как отбеливатель или соляная кислота, вызывают коррозию даже самых прочных материалов. Это связано с тем, что кислоты и основания выделяют избыточный водород или поглощают избыточный водород, соответственно, из окружающих материалов. Потеря или приобретение положительно заряженных атомов водорода нарушает структуру молекул. Как мы узнали, белкам для правильного функционирования требуется определенная структура, поэтому важно защищать их от кислот и щелочей. Вода делает это, действуя одновременно и как кислота, и как основание (рис. 4). Хотя химические связи внутри молекулы воды очень стабильны, молекула воды может отдать водород и стать ОН–, действуя, таким образом, как основание, или принять другой водород и стать h4O+, действуя таким образом как кислота. Эта приспособляемость позволяет воде бороться с резкими изменениями pH из-за кислых или щелочных веществ в организме в процессе, называемом буферизацией. В конечном счете, это защищает белки и другие молекулы в клетке.
В заключение хочу сказать, что вода необходима для жизни. Его универсальность и адаптируемость помогают выполнять важные химические реакции. Его простая молекулярная структура помогает поддерживать важные формы внутренних компонентов клеток и внешней мембраны. Ни одна другая молекула не может сравниться с водой по уникальным свойствам, поддерживающим жизнь. Интересно, что исследователи продолжают устанавливать новые свойства воды, такие как дополнительные эффекты ее асимметричной структуры. Ученым еще предстоит определить физиологическое воздействие этих свойств. Удивительно, как простая молекула универсально важна для организмов с разнообразными потребностями.
Молли Сарген — аспирантка первого курса программы биологических и биомедицинских наук Гарвардской медицинской школы.
Дэн Аттер — аспирант пятого курса органической и эволюционной биологии Гарвардского университета.