在一個顯微鏡下，一個細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)可以像紐約時代廣場的一個小水下版本：成千上萬的蛋白質(zhì)聚集在一個細(xì)胞質(zhì)的水環(huán)境中，聚集在一起，就像一個細(xì)胞骨架的快閃族一樣分裂。線粒體和溶酶體等細(xì)胞器必須穿過這個擁擠，不斷變化的細(xì)胞質(zhì)空間，將物質(zhì)輸送到細(xì)胞的各個部位。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞器和其他細(xì)胞內(nèi)成分可能會在周圍的細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)歷非常不同的環(huán)境。例如，細(xì)胞核可以“感覺”細(xì)胞質(zhì)為液體，蜂蜜狀物質(zhì)，而線粒體可能更像牙膏。

該團(tuán)隊由英國麻省理工學(xué)院機械工程系的英國人和Alex d'Arbeloff職業(yè)發(fā)展助理教授Ming Guo領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器在細(xì)胞質(zhì)中有一定的抵抗力，這取決于細(xì)胞器的大小和移動速度。一個細(xì)胞。特別是，這些特征決定了它能夠輕易地推動細(xì)胞質(zhì)周圍的水并穿過其不斷變化的細(xì)胞骨架蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)。

某些細(xì)胞器可能需要更加努力地通過細(xì)胞質(zhì)，因此可能會感覺更強。研究人員發(fā)現(xiàn)，任何主要細(xì)胞器可能感受到的阻力范圍從粘性液體到彈性橡膠狀固體。

鑒于細(xì)胞器的大小和速度，郭和他的同事已經(jīng)制定了一個相圖來描述細(xì)胞質(zhì)類似的材料類型，從細(xì)胞器的角度來看。

“我們的主要目標(biāo)是提供對活細(xì)胞作為材料的最基本的理解，”郭說。“有了這個相圖，只要你告訴我一個細(xì)胞器移動的大小和速度，我就可以告訴你它所看到的機械環(huán)境。”

本周發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上的研究結(jié)果可能有助于指導(dǎo)藥物設(shè)計。例如，通過團(tuán)隊的相圖，科學(xué)家們可以定制藥物的大小，使其能夠以一定的輕松度在細(xì)胞內(nèi)移動。

“一種直徑為100納米的藥物會產(chǎn)生與500納米寬度不同的阻力，”郭說。“這可以成為了解藥物如何在細(xì)胞內(nèi)傳遞和運輸?shù)闹改稀?rdquo;

該研究的主要作者是麻利理學(xué)院前訪問學(xué)生胡良良，他今年秋天將作為研究生加入郭氏實驗室。其他合著者包括郭玉涵，郭氏實驗室的博士后;麻省理工學(xué)院生物工程，電氣工程，計算機科學(xué)和機械工程教授Alan Grodzinsky;加州大學(xué)圣地亞哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai。

多么拖累

研究細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)拇蠖鄶?shù)科學(xué)家都把重點放在了這種運輸?shù)尿?qū)動因素上 - 即分子馬達(dá)，這是一系列生物制劑，它們將細(xì)胞的能量主動轉(zhuǎn)化為機械工作，將貨物運送到細(xì)胞內(nèi)。

“但作為機械工程師，我們認(rèn)為驅(qū)動力不是這種運輸過程的唯一部分，但周圍材料的阻力實際上同樣重要，”郭說。“例如，不僅僅是你自己的能量決定了你如何在人群中移動 - 人群的機械阻力本身也會影響你的運動。”

在活細(xì)胞的情況下，郭想知道周圍的細(xì)胞質(zhì)是否會對線粒體和溶酶體等主要細(xì)胞器的運動產(chǎn)生類似的擁擠效應(yīng)。

為了驗證他的假設(shè)，他和他的同事們對活體哺乳動物細(xì)胞進(jìn)行了實驗，他們在其中注入了尺寸從0.5到1.5微米的微小塑料珠，覆蓋了大多數(shù)主要細(xì)胞器。然后，他們使用光學(xué)鑷子將每個珠子拖過一個細(xì)胞，這種技術(shù)采用高度聚焦的激光束來物理移動微觀物體。

研究人員以恒定速度將每個珠子捕獲并拉向細(xì)胞邊緣，并測量將珠子拖動一定距離所需的力。他們將這種力解釋為周圍細(xì)胞質(zhì)的機械阻力。

然后他們認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)的機械阻力源于兩個主要來源：多孔彈性和粘彈性。多孔彈性起源于細(xì)胞質(zhì)將水從一個區(qū)域擴(kuò)散出來的速度。該小組認(rèn)為，細(xì)胞質(zhì)越多，細(xì)胞質(zhì)越多，細(xì)胞器等物體就越需要將水推出去。

在細(xì)胞質(zhì)的背景下，粘彈性是指其細(xì)胞骨架或蛋白質(zhì)網(wǎng)改變構(gòu)型的速度。細(xì)胞的細(xì)胞骨架是一種支架，由數(shù)千種不斷組裝，拆卸和重新組裝的蛋白質(zhì)制成。這種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以感覺像彈性固體和粘性流體。細(xì)胞骨架重新排列得越快，它就越像液體。研究人員推斷，細(xì)胞器在穿過更像液體的，經(jīng)常變化的細(xì)胞骨架時會感覺到更小的阻力。

這完全取決于觀點

郭和他的同事分析了他們的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)珠子的大小和速度與它在拖過細(xì)胞時遇到的阻力類型有關(guān)。通常，珠子越大，它們越多地遇到多孔彈性，因為具有更大表面積的大珠子必須推動更多的水來自己移動。

另一方面，拖動珠子的速度越快，它就越能遇到類似固體的阻力。正如郭解釋的那樣，“你移動的速度越快，你看到的永久性[細(xì)胞骨架]結(jié)構(gòu)就會越來越強烈。”

研究人員根據(jù)他們的實驗結(jié)果繪制了他們的相圖。然后，他們通過科學(xué)文獻(xiàn)查看了其他人對活細(xì)胞中實際細(xì)胞器進(jìn)行的速度和大小測量。他們將這些測量結(jié)果繪制在圖表上，并發(fā)現(xiàn)，鑒于它們的大小和速度，這些細(xì)胞器應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)經(jīng)歷一系列阻力。

“如果你問一個細(xì)胞核，它們會告訴你細(xì)胞質(zhì)就像蜂蜜一樣，因為它們非常大而且很慢，而且它們感覺不到細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu) - 它們只感覺到粘性的分解蛋白質(zhì)溶液，并且具有非常小的阻力，”郭說。“但是線粒體會說它就像牙膏一樣，因為它們更小更快，有時會被這些不斷變化的結(jié)構(gòu)所阻擋。溶酶體甚至更小更快，會告訴你細(xì)胞質(zhì)實際上是Jell-O，因為它們是如此快速地移動，他們不斷地從這些結(jié)構(gòu)中彈跳并遇到阻力，就像橡膠一樣。所以他們的觀點受到他們自身尺寸和速度的限制。“

郭希望科學(xué)家們使用該組的相圖來表征其他細(xì)胞成分，以了解他們?nèi)绾慰创?xì)胞質(zhì)環(huán)境。

“人們可以使用其他參數(shù)來找出不同細(xì)胞器應(yīng)該屬于哪個階段的相圖，”郭說。“這將告訴你他們會感受到什么樣的獨特材料。”