Nanoenheder viser, hvordan celler ændrer sig med tiden, ved at spore indefra

For første gang, Forskere har indført små sporingsenheder direkte i det indre af pattedyrsceller, give et hidtil uset kig ind i de processer, der styrer begyndelsen af ​​udvikling.

Dette arbejde med en-celle embryoner skal ændre vores forståelse af de mekanismer, der understøtter cellulær adfærd generelt, og kan i sidste ende give indsigt i, hvad der går galt ved aldring og sygdom.

Forskningen, ledet af professor Tony Perry fra Institut for Biologi og Biokemi ved University of Bath, involveret at injicere en siliciumbaseret nanoenhed sammen med sædceller i ægcellen på en mus. Resultatet var en sund, befrugtet æg indeholdende en sporingsenhed.

De små enheder ligner lidt edderkopper, komplet med otte meget fleksible 'ben'. Benene måler de 'træk- og skub-kræfter', der udøves i cellens indre med et meget højt præcisionsniveau, derved afsløre de cellulære kræfter i spil og vise, hvordan intracellulært stof omarrangerede sig over tid.

Nanoenhederne er utrolig tynde - svarende til nogle af cellens strukturelle komponenter, og måler 22 nanometer, gør dem til cirka 100, 000 gange tyndere end en pundmønt. Det betyder, at de har fleksibiliteten til at registrere bevægelsen af ​​cellens cytoplasma, når det encellede embryo begiver sig ud på sin rejse mod at blive et tocellet embryo.

"Dette er det første glimt af fysikken i enhver celle på denne skala indefra, " sagde professor Perry. "Det er første gang nogen har set indefra, hvordan cellemateriale bevæger sig rundt og organiserer sig selv."

Hvorfor undersøge en celles mekaniske adfærd?

Aktiviteten i en celle bestemmer, hvordan denne celle fungerer, forklarer professor Perry. "Intracellulært stofs adfærd er sandsynligvis lige så indflydelsesrig på celleadfærd som genekspression, sagde han. Indtil nu, imidlertid, denne komplekse dans af cellulært materiale er stort set forblevet ustuderet. Som resultat, Forskere har været i stand til at identificere de elementer, der udgør en celle, men ikke hvordan cellens indre opfører sig som helhed.

"Fra studier i biologi og embryologi, vi kender til visse molekyler og cellulære fænomener, og vi har vævet denne information ind i en reduktionistisk fortælling om, hvordan tingene fungerer, men nu ændrer denne fortælling sig, " sagde professor Perry. Fortællingen blev hovedsageligt skrevet af biologer, som bragte biologiens spørgsmål og redskaber med sig. Det, der manglede, var fysik. Fysik spørger om de kræfter, der driver en celles adfærd, og giver en top-down tilgang til at finde svaret.

"Vi kan nu se på cellen som en helhed, ikke kun møtrikker og bolte, der gør det."

Museembryoner blev valgt til undersøgelsen på grund af deres relativt store størrelse (de måler 100 mikron, eller 100 milliontedele af en meter, i diameter, sammenlignet med en almindelig celle, som kun er 10 mikrometer [10 milliontedele af en meter] i diameter). Dette betød, at inde i hvert embryo, der var plads til en sporingsenhed.

Forskerne foretog deres målinger ved at undersøge videooptagelser taget gennem et mikroskop, mens embryonet udviklede sig. "Nogle gange blev enhederne slået og snoet af kræfter, der var endnu større end dem inde i muskelcellerne, " sagde professor Perry. "På andre tidspunkter, enhederne bevægede sig meget lidt, viser, at cellens indre var blevet roligt. Der var intet tilfældigt ved disse processer - fra det øjeblik du har et encellet embryo, alt foregår på en forudsigelig måde. Fysikken er programmeret."

Resultaterne føjer sig til et billede af biologi, som antyder, at materiale inde i en levende celle ikke er statisk, men ændrer i stedet sine egenskaber på en forudbestemt måde, efterhånden som cellen udfører sin funktion eller reagerer på omgivelserne. Arbejdet kan en dag få betydning for vores forståelse af, hvordan celler ældes eller holder op med at fungere, som de burde, hvad der sker ved sygdom.

Undersøgelsen er offentliggjort i denne uge i Naturmaterialer og involverede et tværfagligt partnerskab mellem biologer, materialeforskere og fysikere baseret i Storbritannien, Spanien og USA.