Mysteriet løst om de maskiner, der flytter dine gener

Flåder af mikroskopiske maskiner slider væk i dine celler, udføre kritiske biologiske opgaver og holde dig i live. Ved at kombinere teori og eksperiment, forskere har opdaget den overraskende måde en af ​​disse maskiner, kaldet spindlen, undgår afmatning:trængsel.

Spindlen deler kromosomer i halve under celledeling, sikre, at begge afkomsceller indeholder et komplet sæt genetisk materiale. Spindlen består af titusinder af stive, hule rør kaldet mikrotubuli forbundet med biologiske motorer.

Mikrotubuli drives kun fremad, når de er forbundet med en nabo, der peger i den modsatte retning. Tidligere observationer, imidlertid, viste mikrotubuli, der sejlede i fuld fart, selvom de kun var forbundet med naboer, der vender den samme vej. I et nyt papir udgivet 2. september i Naturfysik , forskerne giver et svar på dette puslespil. Mikrotubuli er så indviklet i hinanden, at selv dem, der ikke aktivt søges frem, bliver trukket med i fuld fart af mængden.

"Det er som et overgangssted i New York, "siger studieforfatter Sebastian Fürthauer, en forsker ved Flatiron Institutes Center for Computational Biology (CCB) i New York City. "Folk, der går forskellige veje, blandes alle sammen, alligevel er alle i stand til at bevæge sig i fuld fart og flyde jævnt forbi hinanden. "

Resultaterne vil hjælpe forskere med bedre at forstå det cellulære maskineri, der adskiller kromosomer under celledeling, og hvorfor denne proces nogle gange går galt. Hvis en spindel gør sit arbejde forkert, det kan indføre fejl såsom manglende eller ekstra kromosomer, der kan føre til komplikationer som infertilitet og kræft, Siger Fürthauer.

Fürthauer og CCB -direktør Michael Shelley, begge anvendte matematikere, arbejdede på projektet sammen med et tværfagligt team af eksperimentelle biologer og fysikere fra Harvard University, Massachusetts Institute of Technology, Indiana University, og University of California, Santa Barbara.

Et af de overordnede mål med biofysik er at knytte aktiviteten af ​​små komponenter til storskala dynamik i celler og organismer. Egenskaberne ved de vigtigste spindelkomponenter er relativt godt undersøgt. Mikrotubuli er lange, stive polymerstænger, der ligner sugerør, hver med en 'minus' ende og en 'plus' ende. Molekylære motorer låser sig fast og bevæger sig langs mikrotubuli ved hjælp af et par molekylære 'fødder'. Kinesin motorer, for eksempel, har to par fødder, en i hver ende. Kinesin -molekyler kan vedhæfte to forskellige mikrotubuli, med hvert par fødder, der marcherer fra minusenden til plusenden af ​​hvert mikrotubuli.

Hvis plus og minus enderne på begge mikrotubuli er justeret, de to par fødder går i samme retning, og mikrotubuli bevæger sig ikke i forhold til hinanden. Hvis mikrotubuli er anti-justeret, fødderne bevæger sig i modsatte retninger, får mikrotubuli til at glide forbi hinanden. Den samlede bevægelse af alle mikrotubuli bestemmer spindelens vækst og form.

Tidligere undersøgelser fokuserede mest på situationer, hvor motorer var knappe. Forskere havde antaget, at dette var en nøjagtig fremstilling af, hvad der sker i faktiske celler. I et sådant scenario, en mikrotubulus bevægelse ville afhænge af naboernes orientering. Mikrotubuler på linje med deres naboer ville blive siddende, mens dem, der trodsede mængden, ville zoome frem.

Ægte spindler, imidlertid, udviser ikke denne forventede adfærd. Mikrotubuli omgivet af naboer, der vender den samme vej, bevæger sig stadig med fuld hastighed. Så hvad skubber dem fremad?

Fürthauer og kolleger undersøgte, hvordan mikrotubuli kollektivt ville bevæge sig, hvis systemet var pakket med masser af motorer, hvilket resulterer i masser af forbindelser mellem mikrotubuli. De udviklede en matematisk teori om, hvordan mekaniske belastninger udvikler sig i kollektivet, når mikrotubuli skubbes og trækkes mod hinanden af ​​de mange motorer.

Deres teori forudsiger, at mikrotubuli står i kø, med hvert mikrotubuli vendt mod en af ​​to modsatte retninger. Hvor mikrotubuli med modsat orientering blander sig, de drives frem som forventet. Mikrotubuli andre steder, teorien siger, er så sammenfiltret med deres naboer, at også de bliver trukket med på turen. Hver mikrotubuli, derfor, bevæger sig med præcis hastigheden på gåmotorer uanset dets sted i mængden.

Eksperimenter udført af forskerne ved hjælp af mikrotubuli og rigelige kinesinmotorer matchede disse forudsigelser. Derudover teorien og eksperimenterne matchede virkelige spindler:I ægene af afrikanske klofrøer, mikrotubuli i spindler bevæger sig med nogenlunde samme hastighed, som motorerne, der forbinder dem, vides at gå.

Frøspindeladfærden er "meget antydende for, at den faktiske biologi lever i det regime, vi ser i vores eksperimenter, "Fürthauer siger." Med denne nye forståelse, vi kan nu spørge:Hvordan kan vi bygge en spindel? Kan vi rekonstruere denne komplekse biologiske maskine i en computersimulering, eller endda i reagensglasset? "Han og hans kolleger håber, at de kommer tættere på.