在顯微鏡下，細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)可能類似于紐約時(shí)代廣場(chǎng)的一個(gè)微小的水下版本：成千上萬(wàn)的蛋白質(zhì)聚集在細(xì)胞質(zhì)的水環(huán)境中，聚集在一起，像細(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(gè)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(gè)部位?，F(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(huì)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(duì)由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的英國(guó)人，英國(guó)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(dòng)速度。一個(gè)細(xì)胞。特別是，這些特征決定了它能夠輕易地推動(dòng)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(huì)感覺更強(qiáng)。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(gè)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(duì)活細(xì)胞作為材料的最基本的理解，”郭說。“有了這個(gè)相圖，只要你告訴我一個(gè)細(xì)胞器移動(dòng)的大小和速度，我就可以告訴你它所看到的機(jī)械環(huán)境。”

本周發(fā)表在“ 美國(guó)國(guó)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(jì)。例如，通過團(tuán)隊(duì)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(dòng)。“一種直徑為100納米的藥物會(huì)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(yùn)輸?shù)闹改稀?rdquo;

該研究的主要作者是麻省理工學(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(shí)驗(yàn)室。其他合著者包括郭玉涵，郭氏實(shí)驗(yàn)室的博士后; 麻省理工學(xué)院生物工程，電氣工程，計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)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(yùn)輸?shù)拇蠖鄶?shù)科學(xué)家都把重點(diǎn)放在了這種運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械工作，將貨物運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)。“但作為機(jī)械工程師，我們認(rèn)為驅(qū)動(dòng)力不是這種運(yùn)輸過程的唯一部分，但周圍材料的阻力實(shí)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穿過人群 - 人群的機(jī)械阻力也會(huì)影響你的運(yùn)動(dòng)。”

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

為了驗(yàn)證他的假設(shè)，他和他的同事們對(duì)活體哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，他們?cè)谄渲凶⑷肓?.5到1.5微米大小的微小塑料珠，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(gè)珠子拖過一個(gè)細(xì)胞，這種技術(shù)采用高度聚焦的激光束來物理移動(dòng)微觀物體。

研究人員將每個(gè)珠子以恒定速度捕獲并拉向細(xì)胞邊緣，并測(cè)量將珠子拖動(dòng)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(jī)械阻力。

然后，他們認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)的機(jī)械阻力源于兩個(gè)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(gè)區(qū)域擴(kuò)散出來的速度。該小組推斷，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)胞骨架作為一種支架，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(dòng)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(shí)會(huì)感覺到更小的阻力。

這完全取決于觀點(diǎn)

郭和他的同事分析了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)珠子的大小和速度與它在拖過細(xì)胞時(shí)遇到的阻力類型有關(guān)。通常，珠子越大，它們?cè)蕉嗟赜龅蕉嗫讖椥?，因?yàn)榫哂懈蟊砻娣e的大珠子必須推動(dòng)更多的水來移動(dòng)自身。

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

研究人員根據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)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(duì)活細(xì)胞中實(shí)際細(xì)胞器進(jìn)行的速度和大小測(cè)量。他們將這些測(cè)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)該在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)經(jīng)歷一系列的抗性。“如果你問一個(gè)細(xì)胞核，它們會(huì)告訴你細(xì)胞質(zhì)就像蜂蜜一樣，因?yàn)樗鼈兎浅４蠖液苈?，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(huì)說它像牙膏一樣，因?yàn)樗鼈兏「欤袝r(shí)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(huì)告訴你細(xì)胞質(zhì)實(shí)際上是Jell-O，因?yàn)樗鼈兪侨绱丝焖俚匾苿?dòng)，他們不斷地從這些結(jié)構(gòu)中彈出并遇到阻力，就像橡膠一樣。所以他們的觀點(diǎn)受到他們自身尺寸和速度的限制。“

郭希望科學(xué)家們將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麄兊募?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(gè)階段的相圖，”郭說。“這將告訴你他們會(huì)感受到什么樣的獨(dú)特材料。”