Matematik forklarer, hvordan gigantiske boblebad dannes i udviklingen af ​​ægceller

Ægceller er blandt de største celler i dyreriget. Hvis det kun flyttes af tilfældige vandringer af vandmolekyler, et protein kan tage timer eller endda dage at drive fra den ene side af en dannende ægcelle til den anden. Heldigvis naturen har udviklet en hurtigere måde:cellespændende spabad i de umodne ægceller fra dyr som mus, zebrafisk og frugtfluer. Disse hvirvler muliggør pendler på tværs af celler, der tager kun en brøkdel af tiden. Men indtil nu, videnskabsmænd vidste ikke, hvordan disse afgørende strømme dannedes.

Ved hjælp af matematisk modellering, forskere har nu et svar. Gyrerne skyldes den kollektive adfærd af stavlignende molekylrør kaldet mikrotubuli, der strækker sig indad fra cellens membraner, forskerne rapporterer den 13. januar i Fysisk gennemgangsbreve .

"Selvom meget ikke er forstået om disse strømme biologiske funktion, de fordeler næringsstoffer og andre faktorer, der organiserer kropsplanen og styrer udviklingen, "siger studieforfatter David Stein, en forsker ved Flatiron Institutes Center for Computational Biology (CCB) i New York City. I betragtning af hvor bredt de hvirvlende strømme er blevet observeret i hele dyreriget, "de er sandsynligvis endda hos mennesker."

Gabriele De Canio, en forsker ved University of Cambridge, ledede undersøgelsen sammen med Stein. Deres medforfattere var CCB-direktør og professor ved New York University Michael Shelley og Cambridge-professorer Eric Lauga og Raymond Goldstein.

Forskere har undersøgt mobilstrømme siden slutningen af ​​1700 -tallet, da den italienske fysiker Bonaventura Corti kiggede inde i celler ved hjælp af sit mikroskop. Han så væsker i konstant bevægelse, men forskere forstod ikke mekanismerne til at drive disse strømme før i det 20. århundrede, da de identificerede kilden til bevægelsen:molekylære motorer, der går langs mikrotubuli. Disse motorer trækker store biologiske nyttelast, såsom lipider. At slippe lasten gennem en celles relativt tykke væsker er som at trække en strandbold gennem honning. Når nyttelastene bevæger sig gennem væsken, væsken bevæger sig også skabe en lille strøm.

Men nogle gange er disse strømme ikke så små. I visse udviklingsstadier af en fælles frugtflues ægcelle, forskere opdagede hvirvellignende strømme, der spænder over hele cellen. I disse celler, mikrotubuli strækker sig indad fra cellemembranen som hvedestængler. Molekylære motorer, der klatrer på disse mikrotubuli, skubber nedad på mikrotubuli, når de stiger op. Den nedadgående kraft bøjer mikrotubuli, omdirigere de resulterende strømme.

Tidligere undersøgelser overvejede denne bøjningsmekanisme, men anvendte den på isolerede mikrotubuli. Disse undersøgelser forudsagde, at mikrotubuli ville vinke rundt i cirkler, men sådan adfærd matchede ikke observationer.

I den nye undersøgelse, forskerne tilføjede en nøglefaktor til deres model:påvirkningen af ​​nabomikrotubuli. Denne tilføjelse viste, at væskestrømmene, der genereres af nyttelast-færgemotorer, bøjer nærliggende mikrotubuli i samme retning. Med nok motorer og en tilstrækkelig massefylde af mikrotubuli, alle mikrotubuli læner sig til sidst sammen som en hvedemark fanget i en stærk brise. Denne kollektive justering orienterer alle strømme i samme retning, skaber den celleomfattende hvirvel set i ægte frugtflueceller.

Mens den er forankret i virkeligheden, den nye model er fjernet til det væsentlige for at afsløre betingelserne, der er ansvarlige for de hvirvlende strømme. Forskerne arbejder nu på versioner, der mere realistisk fanger fysikken bag strømmen for bedre at forstå den rolle, strømningerne spiller i biologiske processer.