細(xì)胞具有絕對(duì)可靠的嗅覺，告訴它們生長(zhǎng)的方向是否靠近香味源。ETH研究人員現(xiàn)在已經(jīng)了解了這種嗅覺是如何起作用的。細(xì)胞面臨的一個(gè)常見問題是它們被一種有前途的氣味云包圍，必須確定其來源的方向。例如，神經(jīng)細(xì)胞形成長(zhǎng)的延伸，其被來自其他細(xì)胞的信號(hào)吸引，以產(chǎn)生形成神經(jīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò); 類似地，清道夫細(xì)胞識(shí)別有害細(xì)菌的氣味，以便它們可以追捕并摧毀它們。

但細(xì)胞如何感知這些氣味信號(hào)，隨著距離源的距離增加，這些信號(hào)變得越來越弱; 細(xì)胞如何“讀取”信號(hào)的這種弱化 - 技術(shù)上稱為信號(hào)梯度 - 以便控制它們向信號(hào)源的增長(zhǎng)或移動(dòng)?如何感知空間信號(hào)是生物學(xué)面臨的一個(gè)基本問題 - 到目前為止，這個(gè)謎題仍未得到很好的解決。

傳感器，處理器和電機(jī)都集于一身

現(xiàn)在，由生物化學(xué)研究所的ETH教授Matthias Peter領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提出了一個(gè)可能的解決方案。酵母細(xì)胞有一個(gè)非常精細(xì)，可調(diào)節(jié)的多功能工具，可以識(shí)別化學(xué)信號(hào)，相應(yīng)地處理它們，并啟動(dòng)正確的響應(yīng) - 向信號(hào)源增長(zhǎng)。因此，酵母細(xì)胞能夠聞到周圍潛在性伴侶的位置，從而使它們能夠向它們生長(zhǎng)。

生物學(xué)家使用顯微鏡觀察和計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了他們的研究，他們通過與Heinz Koeppl(現(xiàn)在達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué))自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室的研究人員的跨學(xué)科合作開發(fā)出來。

許多蛋白質(zhì)形成多種工具

如果細(xì)胞懷疑信號(hào)梯度在附近，它會(huì)在膜上的隨機(jī)位置組裝多功能工具。該工具是由100多種不同成分組成的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物; 復(fù)合體太大，可以通過熒光顯微鏡看到。研究人員將其稱為“極性位點(diǎn)”(PS)，因?yàn)闃O化生長(zhǎng)位于其形成的位置。

使用熒光顯微鏡，研究人員現(xiàn)在觀察了PS如何定位梯度的信號(hào)源。首先，PS沿著膜移向更強(qiáng)的信號(hào)。一旦它識(shí)別出最強(qiáng)的信號(hào) - 即梯度中最大量的信號(hào)物質(zhì) - 它就會(huì)停止移動(dòng)。PS然后在該位置處的單元中產(chǎn)生凸起，其繼續(xù)朝向信號(hào)源生長(zhǎng)。當(dāng)然，信號(hào)是由性伴侶產(chǎn)生的，兩個(gè)細(xì)胞一旦找到彼此就會(huì)融合。

使用模型減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)

為了理解這一過程的分子力學(xué)，研究人員提到了計(jì)算機(jī)模型。“這個(gè)模型確實(shí)幫助我們降低了PS的復(fù)雜性，并將過程簡(jiǎn)化為一些必要的組件，” 發(fā)展細(xì)胞雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究的第一作者BjörnHegemann說。機(jī)器的這些基本組件包括一個(gè)接收和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的接收器; 其他包括沿著膜攜帶受體的蛋白質(zhì)Cdc42和調(diào)節(jié)Cdc42活性的蛋白質(zhì)Cdc24。“你可以將受體描述為機(jī)頭，Cdc42作為機(jī)械輪，Cdc24作為制動(dòng)器，”Hegemann說。

當(dāng)PS穿過細(xì)胞膜并尋找更強(qiáng)的化學(xué)信號(hào)時(shí)，機(jī)器中僅存在少量分解蛋白Cdc24。一旦發(fā)現(xiàn)信號(hào)的最大濃度，PS就會(huì)要求額外的Cdc24分子(它們存儲(chǔ)在細(xì)胞核中)與復(fù)合物結(jié)合。連接到PS機(jī)器的Cdc24分子越多，它變得越慢。然而，只有當(dāng)Cdc24數(shù)量超過某個(gè)閾值時(shí)，PS才會(huì)完全停止并開始細(xì)胞中的凸起形成。

一塊重要的基石

“首先，我們使用熒光顯微鏡觀察極性位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。然后我們?cè)谟?jì)算機(jī)上模擬這種運(yùn)動(dòng)，這使我們能夠建立一個(gè)如何控制運(yùn)動(dòng)的假設(shè)。然后我們能夠通過突變和實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一假設(shè)。使用熒光顯微鏡，“Hegemann說，他對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)很滿意。他說，相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)模型為規(guī)劃實(shí)驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)，使研究人員能夠快速改變組件，從而確定重要方面。他說，這使得研究更加簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有必要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試所有內(nèi)容。

Hegemann認(rèn)為不僅酵母細(xì)胞使用類似極性位點(diǎn)的多功能工具。在裂殖酵母(S. pombe)和蛔蟲(秀麗隱桿線蟲)中也觀察到類似于PS的行為。)，雖然沒有分子解釋。ETH研究人員現(xiàn)在提供了這種解釋，并首次詳細(xì)描述了細(xì)胞如何定位氣味梯度。這項(xiàng)工作為進(jìn)一步研究細(xì)胞的空間信號(hào)感知奠定了重要基礎(chǔ) - 無論是酵母還是人類。根據(jù)Hegemann的說法，目前沒有設(shè)想直接的醫(yī)療應(yīng)用：“在遙遠(yuǎn)的未來，這項(xiàng)工作可能會(huì)使公眾受益。但目前，它主要代表了基礎(chǔ)研究的重要進(jìn)展。”