生物學(xué)家對構(gòu)成細胞壁和紡錘體的微管進行逆向工程

來自宇航局Aqua衛(wèi)星的紅外圖像顯示，熱帶風(fēng)暴埃里克受到風(fēng)切變的沖擊，其最強風(fēng)暴位于夏威夷大島的南部。預(yù)報員使用其他NASA衛(wèi)星找到埃里克的中心。

在颶風(fēng)中心(NHC)8月2日上午11點(東部標(biāo)準(zhǔn)時間15點)對Erick的討論中，F(xiàn)orecaster Jelsema指出，NHC利用兩顆NASA衛(wèi)星的數(shù)據(jù)找到了Erick的中心。討論中指出“盡管由于高層云層覆蓋在低水平的流通中心，隔夜很難找到中心，但及時的GPM(全球降水測量任務(wù))在東部時間上午7:36(1136Z)通過并且可見紅外成像輻射計套件(VIIRS)于東部時間上午7:40(1140Z)通過，協(xié)助定位中心。“ VIIRS是NASA-NOAA的Suomi核電站衛(wèi)星上的儀器。

此外，宇航局的Aqua衛(wèi)星使用紅外線來分析風(fēng)暴的強度，并發(fā)現(xiàn)其中大部分位于埃里克的西南象限，以及夏威夷大島的南部。。紅外數(shù)據(jù)提供溫度信息，高達大氣層的最強雷暴具有最冷的云頂溫度。云頂溫度低，表明強風(fēng)暴可能產(chǎn)生強降雨。那些最強烈的風(fēng)暴位于細長環(huán)流中心的南部和東南部。

8月2日東部時間上午7:50(1150 UTC)，在宇航局的Aqua衛(wèi)星上飛行的中等成像光譜儀或MODIS儀器發(fā)現(xiàn)，最強風(fēng)暴的云頂溫度低至零下80華氏度(零下62.2攝氏度)。

NHC注意到“深度對流已經(jīng)成功地在今天早上暴露了Erick的低水平環(huán)流中心(LLCC)后，該中心暴露了大部分的夜晚。強烈的西 - 西南垂直風(fēng)切變繼續(xù)影響熱帶氣旋。”

東部時間上午11點(HST / 1500 UTC)，熱帶風(fēng)暴埃里克中心位于北緯16.8度和西經(jīng)157.4度附近。那是夏威夷希洛西南約250英里(405公里)。埃里克在14英里/小時(22公里/小時)附近向西北偏西移動，預(yù)計這一一般動作將持續(xù)到今晚。預(yù)計周末向西北方向轉(zhuǎn)彎，前進速度將下降。在預(yù)測軌道上，今天和今晚，埃里克的中心將經(jīng)過夏威夷群島的南部。估計的最小中心壓力為1,000毫巴。

最大持續(xù)風(fēng)速接近50英里/小時(85公里/小時)，陣風(fēng)較高。預(yù)計未來幾天會逐漸減想象一下，站在一個木材廠，被要求建造一個房子 - 沒有藍圖或任何形式的指示。這些材料都在你的面前，但這并不意味著你首先想到如何從A點到達B點。

這就是普林斯頓生物學(xué)家所面臨的情況，他們從頭開始構(gòu)建細胞骨架。

“我們認為不可能，”分子生物學(xué)助理教授薩賓·皮特里說。多年來，Petry和她實驗室的研究人員用他們所謂的“生命的煙花”的視頻使生物世界眼花繚亂，這些視頻顯示了這些微觀結(jié)構(gòu)的分支和生長。“從制作煙花到制作煙花如何制作的配方?我們已經(jīng)想象并集思廣益了五年。” 在那個時候，她的團隊辛苦地確定了煙花的成分，一次一個蛋白質(zhì)，研究生Akanksha Thawani提出了序列的模型，但測試它似乎是不可能的。

但是，該雜志的評論員告訴他們，除非他們通過實驗證明，否則他們無法發(fā)布他們的模型。

“不可否認，在看了Akanksha這么長時間的工作之后，當(dāng)裁判要求做更多工作時，我懷疑我們能否在任何合理的時間內(nèi)理清分子附件的順序，”普林斯頓大學(xué)的Donald R. Dixon '69說道。和Elizabeth W. Dixon機械和航空航天工程教授和Thawani的聯(lián)合顧問。“但是Akanksha專注并且訓(xùn)練有素，并且系統(tǒng)地處理了確定分子附件順序的實驗。跟隨她的工作真是太棒了。”

“他們問我們，我們想把它發(fā)布出來，這就是訣竅，”Petry說。“評論過程受到很多不好的影響，但審稿人有時會把你推到一個新的水平。” 他們的工作成果出現(xiàn)在eLife期刊上。

建造沒有藍圖的房子

微管是細胞的磚和砂漿，用于構(gòu)建細胞壁和有絲分裂和減數(shù)分裂的紡錘體 - 沒有它們，即使是單細胞生物也無法復(fù)制 - 但直到現(xiàn)在，還沒有人確切地知道微管是如何相互分離的。十年來，研究人員已經(jīng)知道，隨著微管彼此生長而引起的分支是組裝錠子和在細胞組件之間建立連接的關(guān)鍵。

“十年左右的缺失就是這種微管分支 - 微管不能直線生長，但它們實際上是分支的，它們可以一次又一次地分支，產(chǎn)生那些煙花，”Petry說。

雖然Petry的團隊已經(jīng)確定了構(gòu)建微管所需的組件，但他們還沒有將序列 - 配方 - 在分子水平上詳細說明如何組裝它們，以使錠子生長并分支成煙花。在大多數(shù)情況下，這很好。生物學(xué)為他們做了。如果他們把正確的組件放在一起，煙花就會增長。

但究竟是怎么發(fā)生的呢?這是在Thawani嘮叨的問題，他是一名化學(xué)和生物工程研究生，在Petry實驗室做研究。

“在最長的時間里，我一直盯著他們，想知道這是如何運作的，從頭開始，”Thawani說，他最近在最后一年贏得了著名的夏洛特伊麗莎白普羅克特獎學(xué)金研究生。“我們從根本沒有微管開始，然后，在15分鐘內(nèi)，我們就擁有了這些美麗的結(jié)構(gòu)。你如何從那些納米尺寸的蛋白質(zhì)中產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)?它們的結(jié)合動力學(xué)或它們的組織是什么導(dǎo)致了我們看到的結(jié)構(gòu)?“

Thawani在解決這些問題方面具有獨特的優(yōu)勢，他花了數(shù)年時間研究化學(xué)工程和物理以及分子生物學(xué)。她基本上在三個領(lǐng)域之間發(fā)明了一個新的專業(yè)。“在學(xué)科之間的交叉點 - 這是下一個最好的科學(xué)所在的地方，”她說。

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這段延時視頻顯示了微管的生長和分支，被稱為“生命的煙花”，因為這些微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成了細胞的骨架。研究生Akanksha Thawani和三位教授 - 生物學(xué)家Sabine Petry，工程師Howard Stone和生物物理學(xué)家Joshua Shaevitz--成功地對這些煙花的制作進行了逆向工程。經(jīng)過的時間以秒為單位顯示，白色標(biāo)尺顯示為10μm。(作為參考，人發(fā)是50到100微米。)信用：普林斯頓大學(xué)的Akanksha Thawani

在網(wǎng)上生活紙站在那不尋常的十字路口：他們四個人，所有除Thawani是主要研究者自己的研究實驗室(PIS)，在三個通常不相關(guān)的領(lǐng)域：佩特里生物學(xué); 石材工程; 和Joshua Shaevitz，物理學(xué)教授和Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所。

“我不知道有很多例子，其中有一個第一作者，然后是三個PI，”Petry說。“我認為這是普林斯頓大學(xué)的一個優(yōu)勢。我不知道其他任何地方讓三位教授聚在一起做項目很容易。”

Thawani意識到，關(guān)鍵在于創(chuàng)建一個基于精確測量微管生長模式的計算機模型。這需要使用全內(nèi)反射熒光(TIRF)顯微鏡對煙花進行成像，這是Petry實驗室的一項優(yōu)勢，該實驗室開發(fā)了光學(xué)隔離樣品的100納米厚區(qū)域的技術(shù)，以便在背景海中可以看到分支微管分子。(作為參考，人的頭發(fā)比它寬約500倍。)

但即便如此，相機記錄的每個像素都包含數(shù)千個分子。Thawani必須找到一種方法來分解視覺數(shù)據(jù)以進行單分子觀察，這需要數(shù)月的復(fù)雜圖像分析 - 并且在Shaevitz的幫助下進行了多年的圖像分析。

最終，Thawani準(zhǔn)確測量了單個蛋白質(zhì)與現(xiàn)有微管結(jié)合的時間和地點，以開始新的分支，以及它的生長速度，一次觀察一個分子。

“傳統(tǒng)的方法，你改變分支反應(yīng)中不同分子的數(shù)量，不允許你弄清楚事情需要發(fā)生的順序，”Shaevitz說，他也是NSF資助的聯(lián)合主任生物功能物理中心。“通過觀察單個分子，我們可以隨心所欲地觀察組件。”

然后Thawani使用這些參數(shù)創(chuàng)建了一個計算機模型。其他科學(xué)家之前曾嘗試對微管分支進行建模，但沒有人能夠獲得這種精確測量來測試其模型輸出。然后，她測試了研究人員多年來頭腦風(fēng)暴的各種序列，并且模型排除了除了其中一個之外的所有序列。

所以現(xiàn)在研究小組的成分蛋白質(zhì)稱為TPX2，augmin和γ-TuRC-以及步驟順序，但計算機無法告訴他們何時添加哪種蛋白質(zhì)。任何從頭開始組裝套件家具或烤面包的人都知道，不按順序執(zhí)行這些步驟是行不通的。

最后的轉(zhuǎn)折

審查人員要求的實驗表明，Thawani和Petry的期望完全倒退。“我們認為它必須首先是augmin然后是TPX2，但事實證明它是相反的，”Thawani說。“那就是扭曲。”

通過這一發(fā)現(xiàn)，研究人員得到了產(chǎn)生微管煙花的完整配方：如果TPX2沉積在現(xiàn)有的微管上，然后用γ-TuRC結(jié)合augmin，則新的微管將成核和分支。

作為最后一步，他們證實蛋白質(zhì)將與Thawani計算機模型預(yù)測的速度精確結(jié)合。“這是第三次突破，”Petry說，“這些數(shù)字相匹配，她的模型在計算機中的預(yù)測對于生物學(xué)來說是正確的。”

“來自Petry的這項工作實際上是一項重要的補充，將有助于推動該領(lǐng)域向前發(fā)展，”應(yīng)用物理學(xué)教授Gordon McKay和哈佛大學(xué)分子與細胞生物學(xué)教授Daniel Needleman說。“我認為這項工作，結(jié)合我的小組和JanBrugués(德累斯頓馬克斯普朗克分子細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所)的研究結(jié)果，確實澄清了紡錘體中微管成核的”規(guī)則“ 。下一步將會找出管理這些規(guī)則的分子過程.Petry和大學(xué)已經(jīng)建立了一個真正有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)的系統(tǒng)。“

回顧過去，Petry說，這項工作“充滿了驚喜，無論是實驗還是實現(xiàn)目標(biāo)以及如何實現(xiàn)。重新審視這一長期存在的問題，將三個領(lǐng)域的教授納入審查過程 - 整個系統(tǒng)都運轉(zhuǎn)良好“。

弱。預(yù)計埃里克將在周日成為熱帶低氣壓，并在周日晚上成為熱帶殘余的低潮。

埃里克產(chǎn)生的膨脹將繼續(xù)影響今天的夏威夷群島，產(chǎn)生危險的沖浪條件，主要是沿著東部和東南部的海岸。此外，與埃里克相關(guān)的降雨將在周六(8月3日)早些時候繼續(xù)蔓延到夏威夷群島的部分地區(qū)，從而帶來局部暴雨的可能性?？偨涤炅靠赡転?至8英寸，本地化水量較高。

埃里克預(yù)計將在周日減弱為熱帶低氣壓，并在周日晚上成為后熱帶殘余低潮?，F(xiàn)在預(yù)計到周一晚上會消散到低谷(細長的低壓區(qū)域)。