描述氣泡如何在一杯香檳中形成的令人興奮的數(shù)學啟發(fā)了一個設計活細胞的框架。
9 月 22 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究詳細介紹了控制氣泡和液滴形成的既定物理理論如何導致對組織活細胞內(nèi)容物的原理有了新的理解。這項工作標志著研究人員理解和控制細胞內(nèi)復雜軟材料的能力發(fā)生了翻天覆地的變化。
“這種方法在材料科學中很常見，但我們已經(jīng)對其進行了調(diào)整，以在細胞中做一些前所未有的事情，”首席研究員 Clifford Brangwynne 說，他是 92 年 6 月的 K. Wu 工程教授兼普林斯頓生物工程計劃的負責人。
目前的工作是在十多年前 Brangwynne 發(fā)現(xiàn)細胞蛋白質(zhì)組織成細胞內(nèi)的液體結(jié)構(gòu)之后進行的。這一見解催生了一個新的研究領(lǐng)域，研究細胞的各個部分是如何形成的，就像油滴在水中凝聚一樣。從那時起，科學家們一直對這些結(jié)構(gòu)如何組裝的確切細節(jié)感到困惑。但要測量細胞內(nèi)單個分子的松軟動力學是一件困難的事情，在細胞內(nèi)，隨著微小結(jié)構(gòu)的形成和溶解每秒一千次，神秘的、重疊的過程混亂地攪動著。
博士后研究員 Shunsuke Shimobayashi 曾在京都大學學習軟物質(zhì)物理學，并想知道他在稱為脂質(zhì)的有機化合物方面的工作背景是否可以闡明有關(guān)該問題的任何有趣之處。如果蛋白質(zhì)分子以油與水分離的方式從周圍凝結(jié)，那么描述該過程的第一步(稱為成核)的數(shù)學方法也將證明對蛋白質(zhì)有用。
Shimobayashi 轉(zhuǎn)向經(jīng)典的成核理論，這是材料科學的支柱。它的方程式推動了 20 世紀一些最深刻的技術(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。
他還敏銳地意識到一個關(guān)鍵區(qū)別：這些方程描述了簡單的、無生命的系統(tǒng)，但細胞內(nèi)部卻處于混亂狀態(tài)。“對于生物分子來說，這是一個更加復雜的材料環(huán)境，”Shimobayashi 說。但他繼續(xù)前進，與理論家 Pierre Ronceray 和機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最重要的參數(shù)，對其進行調(diào)整以試圖了解該過程如何在細胞中發(fā)揮作用。然后為了驗證這一理論，Shimobayashi 求助于 2018 年在 Brangwynne 實驗室開發(fā)的一種先進的蛋白質(zhì)工具，該工具提供了一個理想的、簡化的系統(tǒng)，可以模擬該過程如何在細胞中自然發(fā)生。將它們放在一起，結(jié)果令人震驚。
當 Shimobayashi 試圖誘導液滴立即播種時，系統(tǒng)失敗了。但是當他更慢地播種液滴時，它們在精確定義的位置成核，這種方式與他改編的理論完全一致。他已經(jīng)以 Brangwynne 所說的“驚人的準確性”預測了蛋白質(zhì)液滴的形成方式、地點和時間。
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