Regning III for celler

Sidste år, forskere fra University of Pennsylvania afslørede overraskende indsigt i, hvordan celler reagerer på krumning af overfladen. Specifikt, de undersøgte, hvordan celler reagerer på cylindriske overflader, som er almindelige inden for biologi. De fandt ud af, at celler ændrer de statiske konfigurationer af deres former og interne strukturer.

"Vi tænker på det som cellerne, der udfører beregning; cellerne fornemmer og reagerer på den underliggende krumning, "siger Kathleen Stebe fra Penn's School of Engineering and Applied Science.

Nu, forskerne, ledet af Stebe og nyuddannet ingeniør Nathan Bade i samarbejde med Randall Kamien fra School of Arts and Sciences og Richard Assoian fra Perelman School of Medicine, har offentliggjort en opfølgende undersøgelse, som Stebe sammenligner med "calc III" for celler, undersøge, hvordan celler reagerer på mere komplekse geometrier. Forskningen, som kunne muliggøre nye værktøjer i biologi og påvirke, hvordan læger behandler ting som vaskulær sygdom, er blevet offentliggjort i Biofysisk Journal .

Forskerne skabte en anden overflade end cylindre, som de omtaler som en "kugle-med-nederdel". Som navnet antyder, den øvre del af overfladen er kugleformet, men, når man bevæger sig længere ned af overfladen på hver side, den danner en nederdel, der er saddelagtig i formen. På grund af dette, overfladen har to principielle krumninger uden nul på hvert punkt; den sfæriske del har det, der kaldes positiv gaussisk krumning, mens nederdelen har negativ gaussisk krumning.

"Vi gav cellerne dette virkelig interessante lille bjerg, "Stebe siger, "og sagde, Hvad skal du gøre med dette glatte bjerg, der giver dig disse forskellige krumninger? Og det viser sig, at disse celler er virkelig kloge. De ændrer ikke kun deres former og interne strukturer, men de bevæger sig på dramatisk forskellige måder, der åbner nye spørgsmål om, hvordan celler bevæger sig. "

Celler på stive overflader danner stressfibre, omfattende aktin- og myosinmotorer. I den tidligere undersøgelse, fandt forskerne, at overraskende, på en cylindrisk overflade bøjer cellerne faktisk nogle af spændingsfibrene i retning af maksimal krumning. Selvom en population af stressfibre placeret over cellens kerne er justeret langs cylinderaksen, en anden under kernen viklet omkring cylinderomkredsen. De fandt også ud af, at ved at manipulere ctyoskeleton af cellerne, de kunne rekapitulere justeringsmønsteret for cytoskeletet, som de så in vivo.

I dette seneste værk, fandt forskerne, at igen, populationen af ​​stressfibre over kernen forblev så lige som muligt og derefter under kernen en anden population pakket ind i den retning, hvor de er mest bøjet. Ligesom i den tidligere forskning, de to populationer tilpasset langs de to principielle retninger af overfladen.

For at undersøge dette, Bade belagt kugle-med-skørtet med molekyler for at gøre det vedhæftende til celler og så derefter hvordan cellerne opførte sig, når de vandrede på overfladen. Forskerne brugte et kraftigt konfokalt mikroskop, der gav tredimensionel information om systemerne.

Forskerne var i stand til at behandle stressfibrene, en komponent i det aktive cytoskelet i cellerne, så de ville fluorescere. Ved hjælp af en laser til at opsamle lys fra meget små dele af en prøve, det konfokale mikroskop eliminerede alt det ude af fokus lys. Dette frembragte et billede i høj opløsning fra et smalt plan, som gjorde det muligt for forskerne at se, at ligesom i den tidligere undersøgelse, den ene befolkning fandt en måde at holde sig så lige som muligt, og den anden fandt en måde at bøje så meget som muligt.

"De apikale stressfibre, der ønskede at forblive så lige som muligt, fandt en måde at forblive lige ved at danne brolignende akkorder over det konkave hul, "Bade siger, "Basalspændingsfibrene viklede rundt om funktionen og var meget bøjede."

Forskerne studerede derefter orienteringen af ​​de to stressfibre -populationer som en funktion af overfladens krumning. De opdagede, at celler, der oplever den svagt buede del af overfladen, ikke havde nogen præferenceorientering for deres apikale stressfibre, men dem, der står over for den mere udfordrende krumning, orienterede meget stærkt deres apikale stressfibre, peger mod midten af ​​funktionen. Dette åbnede spørgsmålet om, hvilken slags indvirkning dette har på vigtig celleadfærd.

"Celler ser denne slags grænser og overflader i vores kroppe, "Bade siger." Kirtler og fartøjer har de typer krumningsfelter, som vi har fanget i kugle-med-nederdel overfladen. Nogle typer tumorer har også disse komplekse krumninger. Krumning er overalt. Vi er ikke lavet af fly. "

Ifølge Bade, denne forskning viser, at disse geometriske tegn har en dybtgående indvirkning på organiseringen af ​​cytoskelet, hvilket er vigtigt for celle adfærd såsom migration, hvordan celler bevæger sig rundt i vores krop.

"Vi ville finde ud af, hvordan geometrien med kugle-med-nederdel ville påvirke cellemigration, hvis det overhovedet gjorde det, "Bade siger." Vi så, at cellerne ville vandre op ad nederdelen, men, så snart de fandt den sfæriske hætte, de stoppede faktisk med at migrere i radial retning. Cellerne udforsker denne hætte, men de nægter at migrere til det. Dette er effektivt et område med krumningsafstødning til cellen. Cellerne ændrer faktisk deres polarisering; du kan se dem dreje næsten 90 grader og begynde at migrere rundt om funktionen. "

Bade og Stebe mener, at krumning faktisk kan ændre forholdet mellem den retning, hvor stressfibre er orienteret, og migrationsretningen. Dette tyder på, at de apikale stressfibre, som normalt fører til migration, fald i betydning, og basalpopulationen tager over.

"På fly, de apikale stressfibre er altid ansvarlige for kørsel, "Stebe siger, "men pludselig griber de basale stressfibre fat i hjulet. Dette efterlader mange åbne spørgsmål. Det er et af de virkelig spændende stykker arbejde, fordi resultaterne er så tydeligt tydelige i dataene, men mekanismerne er slet ikke trivielle. Det er virkelig spændende, at det at stille et tilsyneladende naivt spørgsmål kan trække dig ind i et rum med store åbne spørgsmål, og at klarheden i dataene, resultaternes betydning, den måde, hvorpå cellen absolut adlød disse tegn, var betagende for mig. "

Ifølge Bade, forståelse af vævsstivhed og dets rolle i at ændre celleadfærd har haft dramatiske konsekvenser for sundhedsvæsenet, og hvordan forskere griber sygdomme som kræft an. Dette nye arbejde antyder, at krumningsfelter, der er synlige for øjet, også er en vigtig ledetråd. At have det i tankerne, mens man ser på sygdomstilstande, Bade siger, kan påvirke, hvordan folk forstår ting som vaskulær sygdom.

Stebe siger, at de spørgsmål, som denne forskning åbner, kan bane vejen for nye værktøjer inden for biologi.

"Inden for videnskab og teknik, når vi ved, at vi kan organisere noget, vi kan finde en måde at bruge det på, "siger hun." Så for eksempel her, der er interessante spørgsmål om, hvordan kernen interagerer med de omkringliggende enheder i en celle. Og nu har vi to fine måder at begrænse kernen- under stressfibre på cylindre, som klemmer kernen, og under akkorder, der omslutter kernen uden at komprimere den. Disse resultater er interessante for andre forskere, hvem kan hjælpe os med at nå længere ind i biologien for at spørge om konsekvenserne af disse virkninger for genekspression og celleskæbne. "