描述氣泡如何在一杯香檳中形成的令人興奮的數(shù)學(xué)啟發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)活細(xì)胞的框架。
9 月 22 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究詳細(xì)介紹了控制氣泡和液滴形成的既定物理理論如何導(dǎo)致對(duì)組織活細(xì)胞內(nèi)容物的原理有了新的理解。這項(xiàng)工作標(biāo)志著研究人員理解和控制細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜軟材料的能力發(fā)生了翻天覆地的變化。
“這種方法在材料科學(xué)中很常見(jiàn)，但我們已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整，以在細(xì)胞中做一些前所未有的事情，”首席研究員 Clifford Brangwynne 說(shuō)，他是 92 年 6 月的 K. Wu 工程教授兼普林斯頓生物工程計(jì)劃的負(fù)責(zé)人。
目前的工作是在十多年前 Brangwynne 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞蛋白質(zhì)組織成細(xì)胞內(nèi)的液體結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行的。這一見(jiàn)解催生了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，研究細(xì)胞的各個(gè)部分是如何形成的，就像油滴在水中凝聚一樣。從那時(shí)起，科學(xué)家們一直對(duì)這些結(jié)構(gòu)如何組裝的確切細(xì)節(jié)感到困惑。但要測(cè)量細(xì)胞內(nèi)單個(gè)分子的松軟動(dòng)力學(xué)是一件困難的事情，在細(xì)胞內(nèi)，隨著微小結(jié)構(gòu)的形成和溶解每秒一千次，神秘的、重疊的過(guò)程混亂地?cái)噭?dòng)著。
博士后研究員 Shunsuke Shimobayashi 曾在京都大學(xué)學(xué)習(xí)軟物質(zhì)物理學(xué)，并想知道他在稱為脂質(zhì)的有機(jī)化合物方面的工作背景是否可以闡明有關(guān)該問(wèn)題的任何有趣之處。如果蛋白質(zhì)分子以油與水分離的方式從周圍凝結(jié)，那么描述該過(guò)程的第一步(稱為成核)的數(shù)學(xué)方法也將證明對(duì)蛋白質(zhì)有用。
Shimobayashi 轉(zhuǎn)向經(jīng)典的成核理論，這是材料科學(xué)的支柱。它的方程式推動(dòng)了 20 世紀(jì)一些最深刻的技術(shù)變革，從首次揭示全球變暖的氣候模型到幫助數(shù)十億人擺脫饑餓的化肥。
他還敏銳地意識(shí)到一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：這些方程描述了簡(jiǎn)單的、無(wú)生命的系統(tǒng)，但細(xì)胞內(nèi)部卻處于混亂狀態(tài)。“對(duì)于生物分子來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)更加復(fù)雜的材料環(huán)境，”Shimobayashi 說(shuō)。但他繼續(xù)前進(jìn)，與理論家 Pierre Ronceray 和機(jī)械和航空航天工程教授 Mikko Haataja 合作。研究人員將該理論分解為兩個(gè)最重要的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以試圖了解該過(guò)程如何在細(xì)胞中發(fā)揮作用。然后為了驗(yàn)證這一理論，Shimobayashi 求助于 2018 年在 Brangwynne 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)的蛋白質(zhì)工具，該工具提供了一個(gè)理想的、簡(jiǎn)化的系統(tǒng)，可以模擬該過(guò)程如何在細(xì)胞中自然發(fā)生。將它們放在一起，結(jié)果令人震驚。
當(dāng) Shimobayashi 試圖誘導(dǎo)液滴立即播種時(shí)，系統(tǒng)失敗了。但是當(dāng)他更慢地播種液滴時(shí)，它們?cè)诰_定義的位置成核，這種方式與他改編的理論完全一致。他已經(jīng)以 Brangwynne 所說(shuō)的“驚人的準(zhǔn)確性”預(yù)測(cè)了蛋白質(zhì)液滴的形成方式、地點(diǎn)和時(shí)間。
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