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华娜试剂:细胞质 ' 感觉 ' 到细胞的成分

来源:www.123chemical.com 发布时间:2017-08-23

在显微镜下, 一个细胞的细胞质可以像纽约时代广场的一个微小的水下版本: 数以千计的蛋白质群通过细胞质的水环境, 聚集在一起, 像一个骨架的闪光暴民分裂。

细胞器, 如线粒体和溶酶体, 必须遍历这个拥挤, 不断变化的细胞质空间, 以提供材料的各个部分的单元格。

现在, 麻省理工学院的工程师们发现, 这些细胞器和其他的胞内成分可能会体验到周围的细胞质和他们旅行时的不同环境。例如, 细胞的细胞核可能 "感觉" 细胞质是一种液体的、类似蜂蜜的物质, 而线粒体可能更像牙膏。

该小组由英国的 Arbeloff 职业发展部在麻省理工学院机械工程系的助理教授领导, 他发现一个细胞在细胞质中感觉到一定的阻力, 这取决于器官的大小以及它在一个单元格中移动的速度。特别是, 这些特征决定了它是多么容易地推挤对细胞质的周围的水和移动通过它不断变化的网骨架蛋白质结构。

某些细胞器可能不得不更加努力地通过细胞质, 因此可能会感觉到更大的阻力。研究人员发现, 任何主要的细胞都可能感觉到的阻力范围从粘性液体到弹性, 橡胶固体。

郭和他的同事已经制定了一个相图来描述的类型的材料, 细胞质将类似, 从一个细胞的角度来看, 考虑到细胞的大小和速度。

"我们的主要目标是提供对活细胞的最基本的理解作为材料," 郭说。"有了这个相图, 只要你告诉我一个细胞的移动的大小和速度, 我可以告诉你它所看到的机械环境。

本周发表在美国国家科学院学报上的研究结果, 可能有助于指导药物设计。例如, 在团队的相图中, 科学家可以调整药物的大小, 使其能够在一个细胞内进行一定程度的缓解。

"一个100纳米的直径的药物将会感觉到与500纳米宽的不同的耐药性," 郭说。"这可以成为一个指南, 了解如何在一个细胞内运送和运输药物。

这项研究的主要作者是计量, 他是麻省理工学院的一位前访问学者, 今年秋天他将加入郭氏实验室作为研究生。其他共同作者包括玉龙汉族, 博士后在郭的实验室;和艾伦 Grodzinsky, 生物工程, 电气工程和计算机科学, 机械工程教授麻省理工学院;Somaye 贾法里和初探在圣地亚哥加州大学的蔡。

什么拖

大多数研究在细胞内传输材料的科学家都将注意力集中在这种运输的驱动力上--即分子马达, 即一种生物制剂系列, 它们积极将细胞的能量转化为机械工作, 将货物移动到整个细胞中。

"但作为机械工程师, 我们认为驱动力不是这一运输过程的唯一部分, 但对周围物质的抵抗力实际上同样重要," 郭说。"例如, 它不只是你自己的能量, 决定你如何在人群中移动-人群本身的机械阻力也会影响你的运动。

在活细胞的情况下, 郭想知道周围的细胞质是否会有类似的拥挤影响的运动, 如线粒体和溶酶体等主要器官。

为了检验他的假说, 他和他的同事们对活的哺乳动物细胞进行了实验, 他们将微小的塑料珠子注射到直径从0.5 到1.5 微米不等的范围内, 这是一个涵盖大多数主要器官的区域。然后, 他们用光学镊子将每个珠子拖过一个细胞, 这项技术采用高度聚焦的激光束来物理地移动显微物体。

研究人员以恒定的速度将每个珠子拉向细胞边缘, 并测量了在一定距离内拖动珠子所需的力。他们解释那力量作为周围的细胞质的机械抵抗。

然后他们假设细胞质的机械阻力来源于两个主要来源: poroelasticity 和粘弹性。Poroelasticity 起源于细胞质能从一个区域扩散到水的速度。该组织认为, 孔隙细胞质越多, 就越需要做一个像一个细胞体这样的物体来推动水的前进。
 

在细胞质中, 黏弹性是细胞骨架或蛋白质网络的快速变化。细胞骨架作为一种支架, 由数以千计的蛋白质组成, 它们不断地组装、拆卸和重组。这个动态网络可以感觉像一个弹性固体和粘性流体。骨架重新排列的速度越快, 它就越流畅。研究人员推断, 当细胞体通过一种更流畅的、经常变化的骨架时, 会感觉到抵抗力降低。

这一切都是关于透视

郭和他的同事们分析了他们的实验结果, 发现珠子的大小和速度与它被拖过一个细胞时所遇到的阻力类型有关。一般而言, 越大的珠子, 他们遇到的孔隙阻力越多, 因为大的珠子表面积越大, 就越要靠水来移动自己。

另一方面, 珠子拖得越快, 它遇到的阻力就越多。正如郭解释的那样, "你移动得越快, 你就会看到和感觉到的骨架的结构就越持久。

研究人员根据实验结果绘制了他们的相图。然后, 他们通过科学文献, 研究了其他人在活细胞中的实际胞器的速度和尺寸测量。他们将这些测量结果绘制到图表上, 发现, 由于它们的大小和速度, 这些细胞器应该在细胞质中经历一系列的阻力。

"如果你问一个细胞核, 他们会告诉你, 细胞质就像蜂蜜, 因为它们真的很大, 很慢, 而且他们不觉得骨架结构--他们只感觉到粘性分解蛋白质溶液, 并有很小的阻力," 郭说。"但是线粒体会说它就像牙膏一样, 因为它们更小更快, 而且有时会被这些不断变化的结构堵塞。一个溶, 这是更小, 更快, 会告诉你细胞质实际上是果冻, 因为他们移动得太快, 他们不断反弹这些结构和会议的阻力, 如橡胶。因此, 他们的观点受到自己的大小和速度的限制。

郭希望科学家们能利用小组的相图来描述其他的细胞成分, 以了解他们是如何看到他们的细胞质环境的。

"人们可以使用其他参数来找出不同的细胞器应该属于的相图的哪个部分," 郭说。"这将告诉你什么样的不同的材料, 他们会觉得。

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