研究人員利用光遺傳學和數(shù)學建模來識別細胞力學中的中心分子

所有細胞類型都在人體內(nèi)不斷產(chǎn)生力量。包括海德堡研究員Ulrich Schwarz教授在內(nèi)的生物學家和物理學家的跨學科合作現(xiàn)在成功地使用光進行細胞力的高分辨率測量，以便以受控方式打開和關閉它們。來自海德堡大學和芝加哥大學的科學家利用光遺傳學和數(shù)學建模來識別細胞力學中的中心分子。這項研究的結果發(fā)表在Nature Communications雜志上。

需要響應外部信號而收縮的肌細胞將血液泵送通過身體或移動身體部位。然而，我們身體中的所有其他細胞類型也不斷產(chǎn)生力量，這得益于每個人類細胞中存在的肌肉樣結構。細胞利用這些力來感知其環(huán)境中的機械變化，這在例如傷口愈合中起重要作用。細胞分裂和細胞運動期間也會激活細胞肌肉。

UlQu Schwarz是BioQuant中心以及海德堡大學理論物理研究所的研究員，他一直致力于測量細胞力量。“ 機械力在生物細胞行為中的作用長期以來一直被忽視，但在過去的二十年里，它已經(jīng)成為一個快速發(fā)展的研究領域，現(xiàn)在稱為機械生物學，”Schwarz教授表示。他的研究小組正在開發(fā)計算機算法，以根據(jù)它們在環(huán)境中產(chǎn)生的變形來計算細胞力?；谠撔畔?，生成用于細胞力學的數(shù)學模型。

“為了在測量細胞產(chǎn)生的力方面實現(xiàn)高精度，必須在平坦的表面上研究細胞。然而，即使在那時，力也不能像人體一樣以受控的方式產(chǎn)生，”Schwarz教授解釋說。芝加哥Michael Glotzer教授和Margaret Gardel教授的實驗研究小組得以提供幫助。他們開發(fā)了一種用光控制細胞力的新光遺傳學方法。Schwarz教授和他的研究小組的三名成員隨后使用定制算法成功分析了芝加哥的數(shù)據(jù)。

他們的數(shù)學評估使研究人員得到了驚人的發(fā)現(xiàn)。“我們研究了不同分子在力的產(chǎn)生和傳遞中的作用，并發(fā)現(xiàn)一種稱為zyxin的修復蛋白對這些過程至關重要，”Schwarz教授繼續(xù)說道。“這表明細胞不斷引起自身的機械破裂，就像在力的拉鏈開口一樣。只有通過不斷的修復，細胞才能保留對其功能非常重要的彈性。”

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