對(duì)簡(jiǎn)單模型細(xì)胞的研究解決了變形機(jī)制

活細(xì)胞必須積極改變其外部形式，否則細(xì)胞分裂等功能將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)，生物物理學(xué)家Andreas Bausch教授及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種合成細(xì)胞模型，以研究潛在細(xì)胞力學(xué)的基本原理。

活細(xì)胞不會(huì)過(guò)著輕松的生活：它們永遠(yuǎn)忙于適應(yīng)它們的身體形狀。當(dāng)它們分裂時(shí)，細(xì)胞必須大規(guī)模重組它們的整體形態(tài)。當(dāng)它們吸收材料時(shí)，它們的外膜必須強(qiáng)烈變形。當(dāng)它們移動(dòng)時(shí)，它們必須首先確定在它們內(nèi)置的分子馬達(dá)啟動(dòng)之前前面和后面是什么，讓細(xì)胞運(yùn)動(dòng)。

細(xì)胞是具有各種動(dòng)態(tài)功能的活生物體。細(xì)胞變形的能力是決定性的。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，這些過(guò)程在傷口愈合，胚胎發(fā)育或癌細(xì)胞遍布全身的過(guò)程中起著重要作用。

生物物理學(xué)家Andreas Bausch的研究團(tuán)隊(duì)，慕尼黑工業(yè)大學(xué)細(xì)胞生物物理學(xué)主席，慕尼黑卓越集群納米系統(tǒng)計(jì)劃成員，對(duì)細(xì)胞自發(fā)改變其形狀的方式進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究人員希望重建將有助于他們更好地理解復(fù)雜細(xì)胞系統(tǒng)的功能。

用于研究細(xì)胞力學(xué)的模型細(xì)胞

模型細(xì)胞的外殼包含類似于天然細(xì)胞膜的雙層脂質(zhì)膜。在研究人員內(nèi)部放置了在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮重要作用的生物分子。在他們關(guān)于細(xì)胞變形的實(shí)驗(yàn)中，他們使用橢圓形肌動(dòng)蛋白絲，其通常存在于細(xì)胞骨架中。

此外，他們添加了蛋白質(zhì)苯胺，其促進(jìn)肌動(dòng)蛋白絲的連接以賦予細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且肌球蛋白作為分子馬達(dá)，細(xì)胞需要產(chǎn)生細(xì)胞變形所需的能量。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員分析了在何種條件下模型細(xì)胞自發(fā)地發(fā)生變形，其中細(xì)胞骨架膜呈現(xiàn)凹形，或者在某些區(qū)域中，在稱為“起泡”的過(guò)程中形成氣泡狀突起。施加在細(xì)胞外部形式上的力抵消脂質(zhì)膜中的相應(yīng)力。“細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜之間的相互作用是形式上所有變化的關(guān)鍵，”Bausch工作組的Etienne Loiseau和當(dāng)前研究的主要作者說(shuō)。“迄今為止，細(xì)胞骨架和囊泡通常是分開(kāi)觀察的。這兩種基本成分的相互作用很難被研究。”

專注于要領(lǐng)

由慕尼黑卓越集團(tuán)納米系統(tǒng)計(jì)劃資助的項(xiàng)目中創(chuàng)建的模型單元使用少量組件。可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)所涉及的蛋白質(zhì)的各自濃度并精確控制。

Bausch和他的同事證明，在所有其他成分存在的情況下，蛋白質(zhì)之間的相互作用是關(guān)鍵。只有通過(guò)生物功能出現(xiàn)的各種組成部分的相互作用。顯然，組分的濃度對(duì)于細(xì)胞改變其形式的方式是決定性的。

“令人驚訝的是，影響膜突起(起泡)的相同蛋白質(zhì)系統(tǒng)導(dǎo)致的濃度略有不同，僅導(dǎo)致極端變形，”Bausch說(shuō)。“理解蛋白質(zhì)在上下文中的相互作用是必不可少的 - 它是定義功能的蛋白質(zhì)的相互作用。”

了解行動(dòng)機(jī)制

盡管生物學(xué)家設(shè)法在精細(xì)的細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中鑒定出所涉及的蛋白質(zhì)和基因，但由于細(xì)胞的復(fù)雜性，通常不可能也理解基本的作用機(jī)制。“基于合成細(xì)胞模型的自下而上方法有助于理解和解釋重要的功能關(guān)系，”Bausch教授說(shuō)。

迄今為止，細(xì)胞變形實(shí)驗(yàn)僅適用于靜態(tài)系統(tǒng)。在下一步中，科學(xué)家們也希望重建動(dòng)態(tài)過(guò)程。他們希望允許氣泡在細(xì)胞骨架膜中形成和分散，因?yàn)樗谧匀唤缰邪l(fā)生，從而產(chǎn)生可以存在并自動(dòng)移動(dòng)的人造模型細(xì)胞。

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