细胞坐标系揭示活性物质的秘密

所有曾经存在过的人类，都曾是一个个独立的细胞，经过无数次分裂，最终形成了由大约10万亿个细胞组成的身体。这些细胞忙碌地生活着，进行着各种动态运动：肌肉收缩时细胞收缩，向受伤部位迁移，以及数十年来持续有节奏地跳动。

细胞是活性物质的一个例子。正如无生命物质必须燃烧燃料才能移动，例如飞机和汽车，活性物质也同样通过消耗能量而充满活力。细胞能量的基本分子是三磷酸腺苷 (ATP)，它催化使细胞机制正常运作的化学反应。

加州理工学院的研究人员现已开发出一种生物工程坐标系统来观察细胞机制的运动。这项研究有助于更好地理解细胞如何从混乱中创造秩序，例如在胚胎发育过程中，或在染色体的有序运动中，而这些运动是细胞准确分裂的先决条件。

这项研究由生物物理学、生物学和物理学弗雷德和南希·莫里斯教授 罗布·菲利普斯（Rob Phillips）和计算生物学教授兼遗产医学研究所研究员马特·汤姆森（Matt Thomson）的实验室完成 。一篇描述这项研究的论文发表在《 美国国家科学院院刊》上。

细胞机械的基本单元是由蛋白质构成的马达和细丝，它们的作用类似于细胞的肌肉和骨骼。这些结构像小型蛋白质机器人一样自组装，使细胞能够移动。 2018年，前研究生泰勒·罗斯（2021年博士生）设计了一个由这些组件组成的系统，该系统可在实验室环境下通过光控制，使研究人员能够观察和实验它们的运动。每个实验系统只有人类头发的宽度，包含数千个独立的马达和细丝。

在这项由前研究生 Soichi Hirokawa（2023 届博士生）领导的新研究中，该团队开发了额外的光图案，在马达和细丝的混合物上创建了一个网格或坐标系。为了理解这一点，想象一下一张带有网格图案的橡胶片——当橡胶拉伸和变形时，网格也会随之变形。网格由一组间距规则的方块组成，通过变形可以测量哪些区域被拉伸或挤压，以及拉伸或挤压的程度。通过这种方式，该团队可以追踪一组细丝和马达的运动——它们本身太小而无法被肉眼看到，但这些带有光图案的网格（每个方块约为 12 x 12 微米）可以用显微镜看到。

Hirokawa说：“该系统使我们能够观察这些生物分子在共同形成结构时如何重组。有了它，我们就能区分出导致这些方块变形的过程。”

这个新系统使团队能够测量主动收缩和影响细胞自组装过程（扩散）之间的竞争动力学。研究人员将马达和细丝混合在一起，触发这些组件向内收缩，就像一个收缩的圆圈。但每个组件仍然会自然地经历一些随机运动，或者说扩散，在整体收缩时向各个方向抖动。变形坐标系使团队能够观察主动收缩和随机扩散之间的竞争，并对其进行表征。有趣的是，他们发现系统中的ATP越多，分子随机扩散的程度就越大。

“生物学中模式和结构的形成必须对抗这种随机性，”菲利普斯说。“尽管存在混乱的力量，系统仍然能够组织起来。”

这里介绍的动态坐标系也可以在其他环境中使用。

“在胚胎发育等过程中，秩序尤为重要，”本文共同作者、研究员 Heun Jin Lee 说道。“早期胚胎形成原肠胚，折叠成一个管道，最终发育成消化道。你可以想象用一个随着胚胎折叠而伸展的坐标系来装饰胚胎表面。”

作者：Lori Dajose

资料来源：加州理工学院