微型機(jī)器隊(duì)在你的細(xì)胞中勞作 執(zhí)行重要的生物任務(wù)并讓你活著

微型機(jī)器隊(duì)在你的細(xì)胞中勞作，執(zhí)行重要的生物任務(wù)并讓你活著。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，研究人員發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的方式，其中一臺(tái)機(jī)器，稱(chēng)為主軸，避免了減速：擁堵。

在細(xì)胞分裂過(guò)程中，紡錘體將染色體分成兩半，確保后代細(xì)胞都含有一整套遺傳物質(zhì)。主軸由成千上萬(wàn)個(gè)由生物電機(jī)連接的稱(chēng)為微管的堅(jiān)硬中空管組成。

當(dāng)微管連接到指向相反方向的鄰居時(shí)，微管僅向前推進(jìn)。然而，先前的觀察顯示，即使僅與面向相同方式的鄰居相連，微管也全速巡航。在9月2日發(fā)表在Nature Physics上的一篇新論文中，研究人員提供了這個(gè)難題的答案。微管彼此纏繞在一起，即使那些沒(méi)有主動(dòng)向前發(fā)射的微管也會(huì)被人群全速拖拽。

“這就像紐約市一條人行橫道，”研究主要作者，紐約市熨斗研究所計(jì)算生物學(xué)中心(CCB)研究科學(xué)家SebastianFürthauer說(shuō)。“走路方式不同的人都混在一起，但每個(gè)人都能夠全速前進(jìn)并順暢地流過(guò)彼此。”

這些發(fā)現(xiàn)將有助于科學(xué)家更好地了解在細(xì)胞分裂過(guò)程中分離染色體的細(xì)胞機(jī)制，以及為什么這個(gè)過(guò)程有時(shí)會(huì)出錯(cuò)。Fürthauer說(shuō)，如果一個(gè)主軸不能正常工作，它可能會(huì)引入錯(cuò)誤，例如遺漏或額外的染色體，這些錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致不孕和癌癥等并發(fā)癥。

Fürthauer和CCB主任Michael Shelley都是應(yīng)用數(shù)學(xué)家，他們與來(lái)自哈佛大學(xué)，麻省理工學(xué)院，印第安納大學(xué)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家和物理學(xué)家的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)一起參與了該項(xiàng)目。

生物物理學(xué)的總體目標(biāo)之一是將小規(guī)模組成部分的活動(dòng)與細(xì)胞和生物體的大規(guī)模動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來(lái)。主軸部件的性能相對(duì)較好。微管是長(zhǎng)而硬的聚合物棒，類(lèi)似于吸管，每個(gè)都有一個(gè)“減”端和一個(gè)“加”端。分子馬達(dá)使用一對(duì)分子“腳”鎖住微管并沿微管移動(dòng)。例如，Kinesin電機(jī)有兩對(duì)腳，兩端各一個(gè)。驅(qū)動(dòng)蛋白分子可以附著在兩個(gè)不同的微管上，每對(duì)腳從每個(gè)微管的負(fù)端前進(jìn)到正端。

如果兩個(gè)微管的正端和負(fù)端對(duì)齊，則兩對(duì)腳沿相同方向行走并且微管不相對(duì)于彼此移動(dòng)。如果微管反對(duì)，則腳向相反方向移動(dòng)，導(dǎo)致微管彼此滑過(guò)。所有微管的集體運(yùn)動(dòng)決定了紡錘體的生長(zhǎng)和形態(tài)。

以前的研究主要集中在電機(jī)缺乏的情況?？茖W(xué)家們認(rèn)為這是對(duì)實(shí)際細(xì)胞中發(fā)生情況的準(zhǔn)確表示。在這種情況下，微管的運(yùn)動(dòng)將取決于其鄰居的方向。與鄰居對(duì)齊的微管將保持不變，而那些蔑視人群的微管將向前放大。

然而，真正的紡錘不會(huì)表現(xiàn)出這種預(yù)期的行為。面對(duì)相同方式的鄰居包圍的微管仍然全速移動(dòng)。那么是什么促使他們前進(jìn)?

Fürthauer及其同事研究了如果系統(tǒng)中裝有大量電動(dòng)機(jī)，微管將如何共同移動(dòng)，導(dǎo)致微管之間存在大量連接。他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)理論，說(shuō)明當(dāng)微管被眾多電機(jī)推動(dòng)和拉動(dòng)時(shí)，機(jī)械應(yīng)力如何在集體中產(chǎn)生。

他們的理論預(yù)測(cè)微管排列，每個(gè)微管面向兩個(gè)相反方向中的一個(gè)。在相反方向的微管混合的情況下，它們按預(yù)期向前推進(jìn)。理論認(rèn)為，其他地方的微管與鄰居如此糾纏在一起，以至于他們也被拉到了旁邊。因此，每個(gè)微管都以精確的行走馬達(dá)速度移動(dòng)，無(wú)論其在人群中的位置如何。

研究人員使用微管和豐富的驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)符合這些預(yù)測(cè)。此外，理論和實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)世界的錠子相匹配：在非洲爪蛙的卵中，錠子中的微管以大致相同的速度移動(dòng)，已知連接它們的馬達(dá)可以行走。

Fürthauer說(shuō)，青蛙紡錘體的行為“非常暗示實(shí)際的生物學(xué)存在于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中看到的體系中”。“通過(guò)這種新的理解，我們現(xiàn)在可以問(wèn)：我們?nèi)绾螛?gòu)建一個(gè)主軸?我們能否在計(jì)算機(jī)模擬中甚至在試管中重建這種復(fù)雜的生物機(jī)器?” 他和他的同事希望他們?cè)絹?lái)越近了。