生物學(xué)家對(duì)構(gòu)成細(xì)胞壁和紡錘體的微管進(jìn)行逆向工程

來(lái)自宇航局Aqua衛(wèi)星的紅外圖像顯示，熱帶風(fēng)暴埃里克受到風(fēng)切變的沖擊，其最強(qiáng)風(fēng)暴位于夏威夷大島的南部。預(yù)報(bào)員使用其他NASA衛(wèi)星找到埃里克的中心。

在颶風(fēng)中心(NHC)8月2日上午11點(diǎn)(東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間15點(diǎn))對(duì)Erick的討論中，F(xiàn)orecaster Jelsema指出，NHC利用兩顆NASA衛(wèi)星的數(shù)據(jù)找到了Erick的中心。討論中指出“盡管由于高層云層覆蓋在低水平的流通中心，隔夜很難找到中心，但及時(shí)的GPM(全球降水測(cè)量任務(wù))在東部時(shí)間上午7:36(1136Z)通過(guò)并且可見(jiàn)紅外成像輻射計(jì)套件(VIIRS)于東部時(shí)間上午7:40(1140Z)通過(guò)，協(xié)助定位中心。“ VIIRS是NASA-NOAA的Suomi核電站衛(wèi)星上的儀器。

此外，宇航局的Aqua衛(wèi)星使用紅外線來(lái)分析風(fēng)暴的強(qiáng)度，并發(fā)現(xiàn)其中大部分位于埃里克的西南象限，以及夏威夷大島的南部。。紅外數(shù)據(jù)提供溫度信息，高達(dá)大氣層的最強(qiáng)雷暴具有最冷的云頂溫度。云頂溫度低，表明強(qiáng)風(fēng)暴可能產(chǎn)生強(qiáng)降雨。那些最強(qiáng)烈的風(fēng)暴位于細(xì)長(zhǎng)環(huán)流中心的南部和東南部。

8月2日東部時(shí)間上午7:50(1150 UTC)，在宇航局的Aqua衛(wèi)星上飛行的中等成像光譜儀或MODIS儀器發(fā)現(xiàn)，最強(qiáng)風(fēng)暴的云頂溫度低至零下80華氏度(零下62.2攝氏度)。

NHC注意到“深度對(duì)流已經(jīng)成功地在今天早上暴露了Erick的低水平環(huán)流中心(LLCC)后，該中心暴露了大部分的夜晚。強(qiáng)烈的西 - 西南垂直風(fēng)切變繼續(xù)影響熱帶氣旋。”

東部時(shí)間上午11點(diǎn)(HST / 1500 UTC)，熱帶風(fēng)暴埃里克中心位于北緯16.8度和西經(jīng)157.4度附近。那是夏威夷希洛西南約250英里(405公里)。埃里克在14英里/小時(shí)(22公里/小時(shí))附近向西北偏西移動(dòng)，預(yù)計(jì)這一一般動(dòng)作將持續(xù)到今晚。預(yù)計(jì)周末向西北方向轉(zhuǎn)彎，前進(jìn)速度將下降。在預(yù)測(cè)軌道上，今天和今晚，埃里克的中心將經(jīng)過(guò)夏威夷群島的南部。估計(jì)的最小中心壓力為1,000毫巴。

最大持續(xù)風(fēng)速接近50英里/小時(shí)(85公里/小時(shí))，陣風(fēng)較高。預(yù)計(jì)未來(lái)幾天會(huì)逐漸減想象一下，站在一個(gè)木材廠，被要求建造一個(gè)房子 - 沒(méi)有藍(lán)圖或任何形式的指示。這些材料都在你的面前，但這并不意味著你首先想到如何從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)。

這就是普林斯頓生物學(xué)家所面臨的情況，他們從頭開(kāi)始構(gòu)建細(xì)胞骨架。

“我們認(rèn)為不可能，”分子生物學(xué)助理教授薩賓·皮特里說(shuō)。多年來(lái)，Petry和她實(shí)驗(yàn)室的研究人員用他們所謂的“生命的煙花”的視頻使生物世界眼花繚亂，這些視頻顯示了這些微觀結(jié)構(gòu)的分支和生長(zhǎng)。“從制作煙花到制作煙花如何制作的配方?我們已經(jīng)想象并集思廣益了五年。” 在那個(gè)時(shí)候，她的團(tuán)隊(duì)辛苦地確定了煙花的成分，一次一個(gè)蛋白質(zhì)，研究生Akanksha Thawani提出了序列的模型，但測(cè)試它似乎是不可能的。

但是，該雜志的評(píng)論員告訴他們，除非他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，否則他們無(wú)法發(fā)布他們的模型。

“不可否認(rèn)，在看了Akanksha這么長(zhǎng)時(shí)間的工作之后，當(dāng)裁判要求做更多工作時(shí)，我懷疑我們能否在任何合理的時(shí)間內(nèi)理清分子附件的順序，”普林斯頓大學(xué)的Donald R. Dixon '69說(shuō)道。和Elizabeth W. Dixon機(jī)械和航空航天工程教授和Thawani的聯(lián)合顧問(wèn)。“但是Akanksha專(zhuān)注并且訓(xùn)練有素，并且系統(tǒng)地處理了確定分子附件順序的實(shí)驗(yàn)。跟隨她的工作真是太棒了。”

“他們問(wèn)我們，我們想把它發(fā)布出來(lái)，這就是訣竅，”Petry說(shuō)。“評(píng)論過(guò)程受到很多不好的影響，但審稿人有時(shí)會(huì)把你推到一個(gè)新的水平。” 他們的工作成果出現(xiàn)在eLife期刊上。

建造沒(méi)有藍(lán)圖的房子

微管是細(xì)胞的磚和砂漿，用于構(gòu)建細(xì)胞壁和有絲分裂和減數(shù)分裂的紡錘體 - 沒(méi)有它們，即使是單細(xì)胞生物也無(wú)法復(fù)制 - 但直到現(xiàn)在，還沒(méi)有人確切地知道微管是如何相互分離的。十年來(lái)，研究人員已經(jīng)知道，隨著微管彼此生長(zhǎng)而引起的分支是組裝錠子和在細(xì)胞組件之間建立連接的關(guān)鍵。

“十年左右的缺失就是這種微管分支 - 微管不能直線生長(zhǎng)，但它們實(shí)際上是分支的，它們可以一次又一次地分支，產(chǎn)生那些煙花，”Petry說(shuō)。

雖然Petry的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了構(gòu)建微管所需的組件，但他們還沒(méi)有將序列 - 配方 - 在分子水平上詳細(xì)說(shuō)明如何組裝它們，以使錠子生長(zhǎng)并分支成煙花。在大多數(shù)情況下，這很好。生物學(xué)為他們做了。如果他們把正確的組件放在一起，煙花就會(huì)增長(zhǎng)。

但究竟是怎么發(fā)生的呢?這是在Thawani嘮叨的問(wèn)題，他是一名化學(xué)和生物工程研究生，在Petry實(shí)驗(yàn)室做研究。

“在最長(zhǎng)的時(shí)間里，我一直盯著他們，想知道這是如何運(yùn)作的，從頭開(kāi)始，”Thawani說(shuō)，他最近在最后一年贏得了著名的夏洛特伊麗莎白普羅克特獎(jiǎng)學(xué)金研究生。“我們從根本沒(méi)有微管開(kāi)始，然后，在15分鐘內(nèi)，我們就擁有了這些美麗的結(jié)構(gòu)。你如何從那些納米尺寸的蛋白質(zhì)中產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)?它們的結(jié)合動(dòng)力學(xué)或它們的組織是什么導(dǎo)致了我們看到的結(jié)構(gòu)?“

Thawani在解決這些問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，他花了數(shù)年時(shí)間研究化學(xué)工程和物理以及分子生物學(xué)。她基本上在三個(gè)領(lǐng)域之間發(fā)明了一個(gè)新的專(zhuān)業(yè)。“在學(xué)科之間的交叉點(diǎn) - 這是下一個(gè)最好的科學(xué)所在的地方，”她說(shuō)。

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這段延時(shí)視頻顯示了微管的生長(zhǎng)和分支，被稱為“生命的煙花”，因?yàn)檫@些微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)成了細(xì)胞的骨架。研究生Akanksha Thawani和三位教授 - 生物學(xué)家Sabine Petry，工程師Howard Stone和生物物理學(xué)家Joshua Shaevitz--成功地對(duì)這些煙花的制作進(jìn)行了逆向工程。經(jīng)過(guò)的時(shí)間以秒為單位顯示，白色標(biāo)尺顯示為10μm。(作為參考，人發(fā)是50到100微米。)信用：普林斯頓大學(xué)的Akanksha Thawani

在網(wǎng)上生活紙站在那不尋常的十字路口：他們四個(gè)人，所有除Thawani是主要研究者自己的研究實(shí)驗(yàn)室(PIS)，在三個(gè)通常不相關(guān)的領(lǐng)域：佩特里生物學(xué); 石材工程; 和Joshua Shaevitz，物理學(xué)教授和Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所。

“我不知道有很多例子，其中有一個(gè)第一作者，然后是三個(gè)PI，”Petry說(shuō)。“我認(rèn)為這是普林斯頓大學(xué)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。我不知道其他任何地方讓三位教授聚在一起做項(xiàng)目很容易。”

Thawani意識(shí)到，關(guān)鍵在于創(chuàng)建一個(gè)基于精確測(cè)量微管生長(zhǎng)模式的計(jì)算機(jī)模型。這需要使用全內(nèi)反射熒光(TIRF)顯微鏡對(duì)煙花進(jìn)行成像，這是Petry實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了光學(xué)隔離樣品的100納米厚區(qū)域的技術(shù)，以便在背景海中可以看到分支微管分子。(作為參考，人的頭發(fā)比它寬約500倍。)

但即便如此，相機(jī)記錄的每個(gè)像素都包含數(shù)千個(gè)分子。Thawani必須找到一種方法來(lái)分解視覺(jué)數(shù)據(jù)以進(jìn)行單分子觀察，這需要數(shù)月的復(fù)雜圖像分析 - 并且在Shaevitz的幫助下進(jìn)行了多年的圖像分析。

最終，Thawani準(zhǔn)確測(cè)量了單個(gè)蛋白質(zhì)與現(xiàn)有微管結(jié)合的時(shí)間和地點(diǎn)，以開(kāi)始新的分支，以及它的生長(zhǎng)速度，一次觀察一個(gè)分子。

“傳統(tǒng)的方法，你改變分支反應(yīng)中不同分子的數(shù)量，不允許你弄清楚事情需要發(fā)生的順序，”Shaevitz說(shuō)，他也是NSF資助的聯(lián)合主任生物功能物理中心。“通過(guò)觀察單個(gè)分子，我們可以隨心所欲地觀察組件。”

然后Thawani使用這些參數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型。其他科學(xué)家之前曾嘗試對(duì)微管分支進(jìn)行建模，但沒(méi)有人能夠獲得這種精確測(cè)量來(lái)測(cè)試其模型輸出。然后，她測(cè)試了研究人員多年來(lái)頭腦風(fēng)暴的各種序列，并且模型排除了除了其中一個(gè)之外的所有序列。

所以現(xiàn)在研究小組的成分蛋白質(zhì)稱為T(mén)PX2，augmin和γ-TuRC-以及步驟順序，但計(jì)算機(jī)無(wú)法告訴他們何時(shí)添加哪種蛋白質(zhì)。任何從頭開(kāi)始組裝套件家具或烤面包的人都知道，不按順序執(zhí)行這些步驟是行不通的。

最后的轉(zhuǎn)折

審查人員要求的實(shí)驗(yàn)表明，Thawani和Petry的期望完全倒退。“我們認(rèn)為它必須首先是augmin然后是TPX2，但事實(shí)證明它是相反的，”Thawani說(shuō)。“那就是扭曲。”

通過(guò)這一發(fā)現(xiàn)，研究人員得到了產(chǎn)生微管煙花的完整配方：如果TPX2沉積在現(xiàn)有的微管上，然后用γ-TuRC結(jié)合augmin，則新的微管將成核和分支。

作為最后一步，他們證實(shí)蛋白質(zhì)將與Thawani計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)的速度精確結(jié)合。“這是第三次突破，”Petry說(shuō)，“這些數(shù)字相匹配，她的模型在計(jì)算機(jī)中的預(yù)測(cè)對(duì)于生物學(xué)來(lái)說(shuō)是正確的。”

“來(lái)自Petry的這項(xiàng)工作實(shí)際上是一項(xiàng)重要的補(bǔ)充，將有助于推動(dòng)該領(lǐng)域向前發(fā)展，”應(yīng)用物理學(xué)教授Gordon McKay和哈佛大學(xué)分子與細(xì)胞生物學(xué)教授Daniel Needleman說(shuō)。“我認(rèn)為這項(xiàng)工作，結(jié)合我的小組和JanBrugués(德累斯頓馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所)的研究結(jié)果，確實(shí)澄清了紡錘體中微管成核的”規(guī)則“ 。下一步將會(huì)找出管理這些規(guī)則的分子過(guò)程.Petry和大學(xué)已經(jīng)建立了一個(gè)真正有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的系統(tǒng)。“

回顧過(guò)去，Petry說(shuō)，這項(xiàng)工作“充滿了驚喜，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)以及如何實(shí)現(xiàn)。重新審視這一長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，將三個(gè)領(lǐng)域的教授納入審查過(guò)程 - 整個(gè)系統(tǒng)都運(yùn)轉(zhuǎn)良好“。

弱。預(yù)計(jì)埃里克將在周日成為熱帶低氣壓，并在周日晚上成為熱帶殘余的低潮。

埃里克產(chǎn)生的膨脹將繼續(xù)影響今天的夏威夷群島，產(chǎn)生危險(xiǎn)的沖浪條件，主要是沿著東部和東南部的海岸。此外，與埃里克相關(guān)的降雨將在周六(8月3日)早些時(shí)候繼續(xù)蔓延到夏威夷群島的部分地區(qū)，從而帶來(lái)局部暴雨的可能性?？偨涤炅靠赡転?至8英寸，本地化水量較高。

埃里克預(yù)計(jì)將在周日減弱為熱帶低氣壓，并在周日晚上成為后熱帶殘余低潮?，F(xiàn)在預(yù)計(jì)到周一晚上會(huì)消散到低谷(細(xì)長(zhǎng)的低壓區(qū)域)。