抓住光滑的細(xì)胞膜
在我們的每個(gè)細(xì)胞內(nèi)都有一個(gè)分配系統(tǒng),它使用分子馬達(dá)和細(xì)絲沿其內(nèi)部框架或細(xì)胞骨架移動(dòng)蛋白質(zhì),細(xì)胞器和其他微小貨物。為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉,電機(jī)和燈絲必須牽引在貨物包裝周?chē)娜嵝阅ど?,但這些由稱(chēng)為脂質(zhì)的脂肪分子制成的膜非常光滑??茖W(xué)家們一直想知道分子運(yùn)輸機(jī)械如何能夠保持其抓地力。這項(xiàng)工作很重要,因?yàn)閷?duì)分子馬達(dá)和膜力學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)的了解可以轉(zhuǎn)化為對(duì)細(xì)胞和組織發(fā)育,傷口愈合和免疫系統(tǒng)反應(yīng)的更好理解 - 以及癌細(xì)胞如何從單個(gè)腫瘤擴(kuò)散到身體的其他部位。
由于伍斯特理工學(xué)院(WPI)和賓夕法尼亞大學(xué)(賓夕法尼亞大學(xué))的合作研究項(xiàng)目,答案開(kāi)始出現(xiàn)。由WPI物理學(xué)副教授ErkanTüzel博士和賓夕法尼亞肌肉研究所生物學(xué)教授兼賓夕法尼亞佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院教授Michael Ostap博士領(lǐng)導(dǎo),該團(tuán)隊(duì)正在利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型來(lái)研究它們之間的相互作用。電動(dòng)機(jī)(由稱(chēng)為肌球蛋白-1的蛋白質(zhì)制成),細(xì)絲(由蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白制成)和膜。他們的研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)報(bào)告在線發(fā)表的論文“由膜相關(guān)肌球蛋白-1產(chǎn)生力”一文中。
“為了保持抓地力,這些肌球蛋白-1分子需要對(duì)油膜產(chǎn)生足夠的力,”Tüzel說(shuō)。“他們?nèi)绾巫龅竭@一點(diǎn)尚不清楚。現(xiàn)在我們可以說(shuō),'是的,數(shù)字是有道理的,物理確實(shí)有效。'”除運(yùn)輸貨物外,細(xì)胞還具有許多基本功能 - 從分泌蛋白質(zhì)到分成兩個(gè)子細(xì)胞 - 需要精確操作細(xì)胞膜。這項(xiàng)工作是通過(guò)附著在肌動(dòng)蛋白絲上的肌球蛋白電動(dòng)機(jī)完成的,肌動(dòng)蛋白絲必須抓住膜并拉緊它們。這項(xiàng)工作提供了有關(guān)電機(jī)如何保持抓地力的新見(jiàn)解。
深入了解這個(gè)謎團(tuán)需要Tüzel的綜合技能,Tüzel是一位理論生物物理學(xué)家,他開(kāi)發(fā)了模擬復(fù)雜系統(tǒng)(包括活細(xì)胞)行為的算法和計(jì)算模型,以及Ostap,一位研究分子馬達(dá)和其他結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)生物物理學(xué)家電池。他們?cè)?014年肌肉與分子汽車(chē)戈登研究會(huì)議上開(kāi)始合作。
對(duì)于目前的研究,Ostap實(shí)驗(yàn)室的研究員Serapion Pyrpassopoulos博士在兩個(gè)熒光珠之間連接肌動(dòng)蛋白絲上的肌球蛋白-1分子。使用Pyrpassopoulos開(kāi)發(fā)的技術(shù)將肌球蛋白的尾部置于覆蓋有脂質(zhì)的球體上。
肌動(dòng)蛋白絲在光阱的幫助下左右移動(dòng)。隨著肌球蛋白-1分子在球體上伸展和滑動(dòng),研究人員測(cè)量了分子對(duì)球體施加的力。Tüzel和WPI研究生GökerArpag?從這些單分子實(shí)驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù),并開(kāi)發(fā)出一種計(jì)算模型,可用于確定肌球蛋白-1分子有效操作膜所需的時(shí)間。
該模型顯示,在膜中夾住單個(gè)脂質(zhì)分子的單個(gè)肌球蛋白-1分子不能產(chǎn)生成功牽引膜所需的力。事實(shí)上,該模型預(yù)測(cè),需要69到124個(gè)肌球蛋白-1分子,所有這些分子都附著在一個(gè)肌動(dòng)蛋白絲上并且一起工作,才能完成這項(xiàng)工作。該模型還預(yù)測(cè)肌球蛋白-1分子將以不同的速率在膜的脂質(zhì)表面上滑動(dòng)。當(dāng)一些人找到一個(gè)更容易抓住的區(qū)域時(shí),其他人會(huì)在那里遷移并集體堅(jiān)持,就像一個(gè)拔河隊(duì)在繩索上聚集起來(lái),在那里獲得良好的立足點(diǎn)。
“我們還發(fā)現(xiàn),較慢移動(dòng)的肌球蛋白似乎可以幫助更快速滑動(dòng)的肌球蛋白,讓它們有時(shí)間移動(dòng)到更容易抓握的區(qū)域,”Tüzel指出。
Tüzel和Ostap正在繼續(xù)合作,根據(jù)計(jì)算機(jī)模型的預(yù)測(cè)計(jì)劃新的實(shí)驗(yàn)。“這些基本的實(shí)驗(yàn)和模型令人興奮,因?yàn)樗鼈優(yōu)槲覀兲峁┝碎_(kāi)始詢(xún)問(wèn)更多生理學(xué)相關(guān)問(wèn)題的框架,”Ostap補(bǔ)充道,“就像肌球蛋白附著在其細(xì)胞貨物上時(shí)發(fā)生的力量產(chǎn)生的情況一樣。”
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