Forskere knækker mysteriet om hvirvlende hvirvler i ægceller
Ægceller er de største enkeltceller på planeten. Deres størrelse - ofte flere til hundrede gange større end en typisk celle - gør det muligt for dem at vokse til hele organismer, men det gør det også vanskeligt at transportere næringsstoffer og andre molekyler rundt i cellen. Forskere har længe vidst, at modnende ægceller, kaldet oocytter, genererer interne, twister-lignende væskestrømme for at transportere næringsstoffer, men hvordan disse strømme opstår i første omgang, har været et mysterium.
Nu har forskning ledet af beregningsforskere ved Flatiron Institute sammen med samarbejdspartnere ved Princeton og Northwestern-universiteterne afsløret, at disse strømme – som ligner mikroskopiske tornadoer – opstår organisk fra interaktionen mellem nogle få cellulære komponenter.
Deres arbejde, udgivet i Nature Physics , brugt teori, avanceret computermodellering og eksperimenter med frugtflueægceller for at afdække twisters' mekanik. Resultaterne hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå grundlæggende spørgsmål om ægcelleudvikling og cellulær transport.
"Vores resultater repræsenterer et stort spring på dette område," siger medforfatter Michael Shelley, direktør for Flatiron Institute's Center for Computational Biology (CCB). "Vi var i stand til at anvende avancerede numeriske teknikker fra anden forskning, som vi har udviklet i årevis, hvilket giver os et meget bedre overblik over dette problem, end det nogensinde har været muligt før."
I en typisk human celle tager det kun 10 til 15 sekunder for et typisk proteinmolekyle at bugte sig fra den ene side af cellen til den anden via diffusion; i en lille bakteriecelle kan denne tur ske på blot et enkelt sekund. Men i de frugtflueægceller, der er undersøgt her, ville diffusion alene tage en hel dag - alt for lang tid for cellen til at fungere ordentligt. I stedet har disse ægceller udviklet 'twister flows', der cirkler rundt om det indre af oocytten for at distribuere proteiner og næringsstoffer hurtigt, ligesom en tornado kan opsamle og flytte materiale meget længere og hurtigere end vind alene.
"Efter at den er befrugtet, vil oocytten blive det fremtidige dyr," siger medforfatter af undersøgelsen Sayantan Dutta, en forsker ved Princeton og CCB. "Hvis du ødelægger flowet i oocytten, udvikler det resulterende embryo sig ikke."
Forskerne brugte en avanceret open source biofysiksoftwarepakke kaldet SkellySim udviklet af Flatiron Institute-forskere.
Med SkellySim modellerede de de cellulære komponenter, der var involveret i at skabe twisters. Disse omfatter mikrotubuli - fleksible filamenter, der beklæder indersiden af en celle - og molekylære motorer, som er specialiserede proteiner, der tjener som cellulære arbejdsheste, der bærer specielle grupper af molekyler kendt som nyttelast. Forskere er ikke helt sikre på, hvad disse nyttelaster er lavet af, men de spiller en nøglerolle i at generere strømmene.
Forskerne simulerede bevægelsen af tusindvis af mikrotubuli, da de reagerede på de kræfter, der udøves af nyttelastbærende molekylære motorer. Ved at gå frem og tilbage mellem eksperimenter og deres simuleringer var forskerne i stand til at forstå strukturen af twister-strømmene, og hvordan de opstod fra interaktionen mellem cellevæsken og mikrotubuli.
"Vores teoretiske arbejde giver os mulighed for at zoome ind og faktisk måle og visualisere disse twisters i 3D," siger studiets medforfatter og CCB-forsker Reza Farhadifar. "Vi så, hvordan disse mikrotubuli kan generere strømme i stor skala blot gennem selvorganisering uden nogen eksterne signaler."
Modellerne afslørede, at inde i oocytten spænder mikrotubuli under kraften fra de molekylære motorer. Når en mikrotubuli spænder eller bøjer sig under denne belastning, får det den omgivende væske til at bevæge sig, hvilket kan omorientere andre mikrotubuli.
I en tilstrækkelig stor gruppe af bøjede mikrotubuli bøjer alle mikrotubuli i samme retning, og væskestrømmene bliver 'samarbejdsvillige'. Med mikrotubulierne samlet bøjet skaber de bevægelige nyttelaster en hvirvel- eller twister-lignende strøm hen over hele ægget, der hjælper molekyler med at sprede sig rundt i cellen. Med twisters kan molekyler rejse hen over cellen på 20 minutter i stedet for 20 timer.
"Modellen viste, at systemet har en utrolig evne til at organisere sig selv for at skabe dette funktionelle flow," siger Shelley. "Og du har bare brug for nogle få ingredienser - kun mikrotubuli, cellens geometri og molekylære motorer, der bærer nyttelast."
De nye resultater lægger grundlaget for en bedre forståelse af ægcelleudvikling. Resultaterne kunne også hjælpe med at afmystificere materialetransport i andre celletyper.
"Nu hvor vi ved, hvordan disse twisters dannes, kan vi stille dybere spørgsmål, som hvordan blander de molekylerne inde i cellen?" siger Farhadifar. "Dette åbner en ny dialog mellem teori og eksperiment."
Det nye arbejde giver et frisk blik på mikrotubuli, siger Dutta. Mikrotubuli spiller en central rolle i forskellige celletyper og cellefunktioner - såsom celledeling - på tværs af næsten alle eukaryote organismer, såsom planter og dyr. Det gør dem til "en meget vigtig del af en celles værktøjskasse," siger Dutta.
"I en bedre forståelse af deres mekanismer tror jeg, at vores model vil hjælpe med at drive udviklingen i en masse andre virkelig interessante problemer inden for cellulær biofysik."
Flere oplysninger: Sayantan Dutta et al., Selvorganiserede intracellulære twisters, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02372-1
Journaloplysninger: Naturfysik
Leveret af Simons Foundation
Varme artikler
-
Nye high-throughput sekventeringsteknologier afslører en verden af interagerende mikroorganismerKredit:Pennsylvania State University Din krop vrimler med dem - 100 billioner mikrober i din tarm, lunger, mund, og hud. Dit hjem myldrer med dem - i toiletter og håndvaske, på borde og stole, i g -
Balanceret gødning:Et omdrejningspunkt for bæredygtig produktion af majs og ris i AfrikaAf afgørende betydning for vores viden, detaljerede undersøgelsen ny indsigt i, hvordan, hvorfor og i hvilken grad majs- og risudbyttesvar forventes at variere i Afrika syd for Sahara. Kredit:K. Amouz -
Invasiv superskurkekrabbe kan spise gennem sine gællerCarcinus maenas. Kredit:Hans Hillewaert/Wikipedia CC BY-SA 4.0 Invasive grønne kystkrabber kan spise ved at absorbere næringsstoffer på tværs af dens gæller - den første demonstration af denne evn -
Havskildpadder dør efter at være blevet viklet ind i plastikaffaldLevende læderskildpadde viklet ind i fiskereb, hvilket øger modstanden, Grenada 2014. Kredit:Kate Charles, Ocean Spirits Hundredvis af havskildpadder dør hvert år efter at være blevet viklet ind i
- En blændende Hubble-samling af supernovaværtsgalakser
- Fra 2D til 3D:Sådan oppuster du former via maskinlæring
- Det seneste fremskridt inden for billedteknologi hjælper med at optimere katalysatorer til brug i b…
- Sådan tælles atomer i kemiske formler
- Hvordan beregner jeg antallet af slikkornstykker i en krukke?
- Stigende havniveauer ødelagde beviser for skalmøddinger ved mange forhistoriske kyststeder