微型機器隊在你的細胞中勞作 執(zhí)行重要的生物任務并讓你活著

微型機器隊在你的細胞中勞作，執(zhí)行重要的生物任務并讓你活著。通過理論和實驗的結(jié)合，研究人員發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的方式，其中一臺機器，稱為主軸，避免了減速：擁堵。

在細胞分裂過程中，紡錘體將染色體分成兩半，確保后代細胞都含有一整套遺傳物質(zhì)。主軸由成千上萬個由生物電機連接的稱為微管的堅硬中空管組成。

當微管連接到指向相反方向的鄰居時，微管僅向前推進。然而，先前的觀察顯示，即使僅與面向相同方式的鄰居相連，微管也全速巡航。在9月2日發(fā)表在Nature Physics上的一篇新論文中，研究人員提供了這個難題的答案。微管彼此纏繞在一起，即使那些沒有主動向前發(fā)射的微管也會被人群全速拖拽。

“這就像紐約市一條人行橫道，”研究主要作者，紐約市熨斗研究所計算生物學中心(CCB)研究科學家SebastianFürthauer說。“走路方式不同的人都混在一起，但每個人都能夠全速前進并順暢地流過彼此。”

這些發(fā)現(xiàn)將有助于科學家更好地了解在細胞分裂過程中分離染色體的細胞機制，以及為什么這個過程有時會出錯。Fürthauer說，如果一個主軸不能正常工作，它可能會引入錯誤，例如遺漏或額外的染色體，這些錯誤會導致不孕和癌癥等并發(fā)癥。

Fürthauer和CCB主任Michael Shelley都是應用數(shù)學家，他們與來自哈佛大學，麻省理工學院，印第安納大學和加州大學圣巴巴拉分校的實驗生物學家和物理學家的跨學科團隊一起參與了該項目。

生物物理學的總體目標之一是將小規(guī)模組成部分的活動與細胞和生物體的大規(guī)模動態(tài)聯(lián)系起來。主軸部件的性能相對較好。微管是長而硬的聚合物棒，類似于吸管，每個都有一個“減”端和一個“加”端。分子馬達使用一對分子“腳”鎖住微管并沿微管移動。例如，Kinesin電機有兩對腳，兩端各一個。驅(qū)動蛋白分子可以附著在兩個不同的微管上，每對腳從每個微管的負端前進到正端。

如果兩個微管的正端和負端對齊，則兩對腳沿相同方向行走并且微管不相對于彼此移動。如果微管反對，則腳向相反方向移動，導致微管彼此滑過。所有微管的集體運動決定了紡錘體的生長和形態(tài)。

以前的研究主要集中在電機缺乏的情況?？茖W家們認為這是對實際細胞中發(fā)生情況的準確表示。在這種情況下，微管的運動將取決于其鄰居的方向。與鄰居對齊的微管將保持不變，而那些蔑視人群的微管將向前放大。

然而，真正的紡錘不會表現(xiàn)出這種預期的行為。面對相同方式的鄰居包圍的微管仍然全速移動。那么是什么促使他們前進?

Fürthauer及其同事研究了如果系統(tǒng)中裝有大量電動機，微管將如何共同移動，導致微管之間存在大量連接。他們開發(fā)了一個數(shù)學理論，說明當微管被眾多電機推動和拉動時，機械應力如何在集體中產(chǎn)生。

他們的理論預測微管排列，每個微管面向兩個相反方向中的一個。在相反方向的微管混合的情況下，它們按預期向前推進。理論認為，其他地方的微管與鄰居如此糾纏在一起，以至于他們也被拉到了旁邊。因此，每個微管都以精確的行走馬達速度移動，無論其在人群中的位置如何。

研究人員使用微管和豐富的驅(qū)動蛋白馬達進行的實驗符合這些預測。此外，理論和實驗與現(xiàn)實世界的錠子相匹配：在非洲爪蛙的卵中，錠子中的微管以大致相同的速度移動，已知連接它們的馬達可以行走。

Fürthauer說，青蛙紡錘體的行為“非常暗示實際的生物學存在于我們在實驗中看到的體系中”。“通過這種新的理解，我們現(xiàn)在可以問：我們?nèi)绾螛?gòu)建一個主軸?我們能否在計算機模擬中甚至在試管中重建這種復雜的生物機器?” 他和他的同事希望他們越來越近了。