Впервые создана молекулярная модель внутреннего уха

Биологам из США впервые в мире удалось создать трёхмерную модель белковой структуры внутреннего уха — одного из самых совершенных и изящных механизмов в человеческом организме.

Учёные верят, что постижение принципов работы слуха на молекулярном уровне будет способствовать разработке новых методов борьбы с его нарушениями. В том числе с теми, которые до сих пор считались неизлечимыми. Различными формами глухоты, напомним, страдает в среднем около 10% человечества.

Звуковые сигналы, поступающие в наш мозг, первоначально проходят обработку во внутреннем ухе, где пучки протеиновых волокон преобразуют упругие колебания звуковых волн в электрический импульс.

Толщиной эти волокна всего 4 нанометра, а их длина – около 160 нанометров (нанометр, напомним, составляет одну миллиардную часть метра). Ворсинки такие тонкие и хрупкие, что, даже если часть из них повреждена, звуки этого мира могут пропасть для человека навсегда.

Структура похожа на очень чувствительный микрофон: она реагирует на широчайший диапазон частот – от 20 до 20 000 герц.

"Как на самом деле функционирует слуховой аппарат человека, до сих пор оставалось загадкой, – говорит ведущий автор исследования Манфред Ауэр (Manfred Auer) из Лаборатории Беркли (Berkeley Lab). – Нашей целью было определить, как всё это работает".

Для того чтобы достичь поставленной цели, Ауэр и его коллеги использовали электронную томографию и сделали детальные снимки внутреннего уха с разных углов – в молекулярном масштабе. Весь цикл работ занял около восьми лет – отчёт о полученных результатах опубликован в пресс-релизе лаборатории.

Вот что удалось выяснить.


В то время как барабанная перепонка, колеблясь, поглощает звуковые волны, пучки сенсорных микроворсинок на внутреннем ухе колышутся подобно спелой пшенице на колхозных полях. Каждый такой пучок состоит из отдельных волосков – стереоцилий (stereocilia).

Смежные стереоцилии соединены между собой белковыми волокнами, известными как кончики (tip links), – они регулируют канал передачи (трансдукции) положительно заряженных ионов. Другими словами, могут находиться в открытом или закрытом состоянии – в зависимости от изгиба ворсинок.

Ионная реакция, в свою очередь, провоцирует выброс нейротрансмиттера, который и является конечным звеном слухового аппарата, – на этом этапе сигнал преобразуется в электрический импульс, и дальше в дело вступает центральная нервная система.

"Система потрясающая. Но мы не знали, каким образом устроены кончики и микроворсинки на молекулярном уровне", — говорит доктор Ауэр.

К счастью, американцы сделали решительный шаг вперёд в этом направлении: им удалось реконструировать пучки ворсинок и построить их трёхмерную модель, причём с наноточностью.

"На данный момент получение детальной белковой модели, лежащей в основе той или иной физиологической функции, является Святым Граалем молекулярной биологии. В части чувствительных органелл волосковых клеток нам это сделать удалось", — радуется американский учёный.

По словам специалистов из Berkeley Lab, следующий горизонт исследований – оценка механизма чувствительности внутреннего уха: ведь оно может с минимальным временным лагом реагировать и на крик, и на шёпот. А если бы ухо было чуть-чуть чувствительней, мы бы слышали, например, как молекулы воздуха ударяются о барабанную перепонку.

Доктор Ауэр уверен, что всё это вполне осуществимо, поскольку сейчас есть возможность делать новые, более детальные томографические снимки внутреннего уха.