熨鬥研究所的科學家進行了一項新的研究，發現了一些自然界最大的細胞中神秘的漩渦運動的起源。

卵細胞是地球上最大的單細胞。它們的大小（通常是一個典型細胞的幾倍到數百倍）使它們能夠生長成整個生物體，但這也使得在細胞周圍運輸營養物質和其他分子變得困難。科學家們早就知道，成熟的卵細胞（卵母細胞）會産生內部的、扭曲狀的液體流動來運輸營養物質，但這些流動是如何産生的一直是個謎。

現在，由熨鬥（Flatiron）研究所的計算科學家領導的研究，以及普林斯頓大學和西北大學的合作者，已經揭示了這些看起來像微觀龍卷風的流動，是由一些細胞成分的有機相互作用産生的。他們的研究成果發表在4月份的《自然物理學》雜志上，利用理論、先進的計算機建模和果蠅卵細胞實驗，揭示了渦旋的機制。這些結果有助于科學家更好地理解卵細胞發育和細胞運輸的基本問題。

“我們的發現代表了這個領域的一個巨大飛躍，”合著者、熨鬥研究所計算生物學中心（CCB）主任邁克爾·謝利說。“我們能夠應用我們已經開發多年的其他研究中的先進數值技術，這使我們能夠比以往更好地了解這個問題。”

渦旋流在養分分布中的作用

在一個典型的人類細胞中，一個典型的蛋白質分子通過擴散，從細胞的一邊蜿蜒到另一邊只需要10到15秒；在一個小細菌細胞中，這種旅行可以在一秒鍾內發生。但在這裏所研究的果蠅卵細胞中，僅擴散就需要一整天的時間 —— 對細胞正常運作來說太長了。相反，這些卵細胞已經形成了“旋風流”，在卵母細胞內部旋轉，快速分發蛋白質和營養物質，就像龍卷風可以卷起並移動物質，比風更快更遠。

“受精後，卵母細胞將成爲未來的動物，”該研究的合著者，普林斯頓大學和CCB的研究員薩揚坦·杜塔說。“如果你破壞了卵母細胞的流動，産生的胚胎就不會發育。”

研究人員使用了一種先進的開源生物物理學軟件包，名爲SkellySim，由Flatiron研究所的研究人員開發。通過SkellySim，他們模擬了産生龍卷風的細胞成分。這些包括微管（排列在細胞內部的柔韌細絲）和分子馬達，這是一種特殊的蛋白質，作爲細胞的主力，攜帶被稱爲有效載荷的特殊分子群。科學家們並不完全確定這些有效載荷是由什麽構成的，但它們在産生氣流中起著關鍵作用。

研究人員模擬了數千個微管對有效載荷分子馬達施加的力的反應。通過在實驗和模擬之間來回切換，研究人員能夠理解渦旋流的結構，以及它們是如何從細胞流體和微管之間的相互作用中産生的。

“我們的理論工作，使我們能夠放大並實際測量和可視化這些3D龍卷風，”該研究的合著者、CCB研究科學家雷紮·法哈迪法說。“我們看到這些微管是如何通過自我組織産生大規模流動的，而不需要任何外部提示。”

啓示與未來研究

模型顯示，在卵母細胞內部，微管在分子馬達的作用下彎曲。當一個微管在這種載荷下彎曲時，它會導致周圍的流體移動，這可以改變其他微管的方向。在一個足夠大的彎曲微管群中，所有的微管都向同一個方向彎曲，流體流動變得“協同”。“隨著微管集體彎曲，移動的有效載荷在整個卵上形成漩渦或扭曲狀的流動，幫助分子在細胞周圍分散。”有了龍卷風，分子可以在20分鍾內穿過細胞，而不是20小時。

邁克爾·謝利說：“該模型表明，該系統具有令人難以置信的自我組織能力，可以創建這種功能流程。你只需要一些成分 —— 只需要微管、細胞的幾何形狀和攜帶有效載荷的分子馬達。”

這一新發現爲更好地理解卵細胞發育奠定了基礎。這一結果也有助于揭開其他細胞類型中物質運輸的神秘面紗。

雷紮·法哈迪法表示：“現在我們知道了這些龍卷風是如何形成的，我們可以問更深層次的問題，比如它們是如何混合細胞內的分子的？這開啓了理論與實驗之間的新對話。”

研究團隊表示，這項新工作爲微管提供了一個新的視角。微管在幾乎所有真核生物（如植物和動物）的各種細胞類型和細胞功能（如細胞分裂）中起著核心作用。這使得它們成爲“細胞工具箱中非常重要的一部分”。爲了更好地理解它們的機制，我們認爲，我們的模型將有助于推動細胞生物物理學中許多其他真正有趣問題的發展。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！