科学家发现自然界最大细胞中神秘漩涡运动的起源

最新研究揭示了卵细胞中"漩涡状"流动背后的自然机制，这种流动对营养物质的高效分配至关重要。这些发现是通过先进的建模和实验方法实现的，为细胞运输提供了新的见解，并可能影响更广泛的生物学研究。模拟微管如何弯曲并引导成熟卵细胞中的物质形成旋涡状流动的快照。图片来源：S. Dutta 等人

科学家们早就知道，成熟的卵细胞（称为卵母细胞）会在内部产生类似旋涡的液流来运输营养物质，但这些液流是如何产生的一直是个谜。

现在，Flatiron 研究所的计算科学家与普林斯顿大学和西北大学的合作者共同领导的研究揭示了这些流动--看起来就像微型龙卷风--是由一些细胞成分的相互作用有机产生的。他们的研究成果发表在四月号的《自然-物理》（Nature Physics）杂志上，他们利用理论、先进的计算机建模和果蝇卵细胞实验揭示了龙卷风的力学原理。这些成果有助于科学家们更好地理解有关卵细胞发育和细胞运输的基础问题。

"我们的发现代表了这一领域的一大飞跃，"共同作者、Flatiron 研究所计算生物学中心（CCB）主任迈克尔-谢利（Michael Shelley）说。"我们能够应用多年来从其他研究中获得的先进数值技术，这让我们能够比以往更好地看待这个问题。"

在一个典型的人体细胞中，一个典型的蛋白质分子通过扩散从细胞的一侧蜿蜒到另一侧只需要 10 到 15 秒；而在一个小型细菌细胞中，这一过程只需要一秒钟。但在本文研究的果蝇卵细胞中，单是扩散就需要一整天的时间--这对细胞的正常功能来说时间太长了。相反，这些卵细胞发展出了"旋风流"，它在卵细胞内部盘旋，迅速分配蛋白质和营养物质，就像龙卷风能把物质卷起并移动到比风更远更快的地方一样。

在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S. Dutta 等人

"受精后，卵母细胞将成为未来的动物，"该研究的合著者、普林斯顿大学和中央研究院的研究员萨扬坦-杜塔（Sayantan Dutta）说。"如果破坏了卵母细胞中的流动，所产生的胚胎就不会发育"。

研究人员使用了 Flatiron 研究所研究人员开发的一款名为SkellySim 的先进开源生物物理学软件包。通过SkellySim，他们模拟了参与制造细胞的成分。其中包括微管--细胞内部的柔性细丝--和分子马达，分子马达是作为细胞工作母机的特化蛋白质，携带着被称为有效载荷的特殊分子组。科学家还不太清楚这些有效载荷是由什么组成的，但它们在产生气流中起着关键作用。

研究人员模拟了数以千计的微管在载荷分子马达的作用力下的运动。通过在实验和模拟之间来回切换，研究人员得以了解旋流的结构，以及它们是如何从细胞液和微管之间的相互作用中产生的。

"我们的理论工作使我们能够放大并以三维方式实际测量和可视化这些旋涡，"该研究的合著者、CCB 研究科学家 Reza Farhadifar 说。"我们看到了这些微管如何在没有任何外部线索的情况下，通过自组织产生大规模流动。"

在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S. Dutta 等人

模型显示，在卵母细胞内部，微管在分子马达的作用下发生弯曲。当微管在这种负荷下屈曲或弯曲时，会导致周围液体移动，从而使其他微管重新定向。在一个足够大的弯曲微管群中，所有微管都朝同一方向弯曲，流体流动就会变得"合作"。随着微管的集体弯曲，移动的有效载荷在整个卵子中形成漩涡或漩涡状流动，帮助分子分散到细胞周围。有了漩涡，分子可以在 20 分钟而不是 20 小时内穿过细胞。

谢利说："该模型显示，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，能够创造出这种功能性流动。而只需要一些成分--只有微管、细胞的几何形状和携带有效载荷的分子马达。"

这些新发现为更好地了解卵细胞的发育奠定了基础。这些结果还有助于揭开其他细胞类型中物质运输的神秘面纱。

"既然我们知道了这些漩涡是如何形成的，我们就可以提出更深层次的问题，比如它们是如何混合细胞内的分子的？这开启了理论与实验之间的新对话。"法哈迪法尔说。

"这项新研究让人们对微管有了全新的认识。微管在植物和动物等几乎所有真核生物的各种细胞类型和细胞功能（如细胞分裂）中发挥着核心作用。这使它们成为"细胞工具箱中非常重要的一部分"，Dutta 说。"通过更好地理解它们的机制，我认为我们的模型将有助于推动细胞生物物理学中许多其他非常有趣的问题的发展"。

编译来源：ScitechDaily