黑科技 | 用流体机械分析法为细胞器运动建模,一张图即可呈现复杂生命活动

MIT研究团队的研究成果大大简化了定向药物治疗等相关领域的分析过程。

近日,MIT郭氏实验室的研究团队在美国科学院院刊上发文表示,已分析出关于细胞器在细胞质内移动时所需的阻力大小,并绘制了不同细胞器在不同浓度细胞质环境下运动的相位图。

自然科学与工程

19世纪,面对变幻莫测的电磁场现象,麦克斯韦用一组方程组简洁明了的描述了电场、磁场、电荷密度与电流密度之间的关系,也恰恰是从这组简单的数学公式开始,发展出了现如今蓬勃的电子科技技术。显然,这一自然现象的数学性描述揭示了现象的本质、促进了电磁感应现象的工程应用与发展。

对于“工程”这一概念,MIT的一位教授曾这样定义:对科学的有目的地使用,也就是让科学从高大上变得接地气,但是要想做到这一步,就需要对现实世界建模,试图用确定性关系去描述自然科学现象中的变化。

而这里,MIT的郭明教授率领的团队所做的工作与麦克斯韦方程组有着异曲同工之妙。

从机械工程师的角度看生物细胞

细胞质(cytoplasm)是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称,含水量约为80%。它是由细胞质基质、内膜系统、细胞骨架和包含物组成,是生命活动的主要场所。

其中,细胞器就是分布于细胞质内、具有一定形态、在细胞生理活动中起重要作用的结构,它包括线粒体、叶绿体、质体,内质网、高尔基体等。

而机械工程师郭明看重的是这些大小不同的细胞器在细胞质中的运动。郭明表示,在细胞质中,细胞器本身大小的不同导致其行进方式非常不同,如,细胞的细胞核在细胞质中的运动感觉是在类似“蜂蜜”的液体中运动,而线粒体在细胞质中的运动则像是在“牙膏”中运动。

故而,不同大小的细胞器(物体)在细胞质(环境)中受到的阻力是不同的。

对此,郭明进一步表示:“我们现在做的工作主要就是从细胞器运动的角度,提供一种对活体细胞的描述方式,有了我们这个相位图,只要你告诉我细胞器的大小和移动速度,我就可以告诉你从细胞器的角度来看,它当时所处的环境是怎样的。”

生物细胞的机械建模研究

目前,研究细胞内材料运输的大多数科学家将关注点主要都放在了细胞器运输的驱动因素上,虽然他们也主动将细胞的能量分析转化为机械工作,但郭明表示:“作为机械工程师,驱动力不是运输过程中的唯一因素,环境中的阻力也同样重要。就像现实环境下,在考虑机械运动的动力时,我们也考虑阻力。”

在实验前,郭明首先假设细胞质对主要细胞器如线粒体等具有相似的阻力作用。为了检验假设的正确性,研究团队对哺乳动物的活细胞进行了实验。

首先,他们注入了大小为0.5到1.5微米的微小塑料珠,包裹了大多数主要的细胞器。然后,他们使用光学镊子和高度聚焦的激光束物理移动微观物体的技术,拖动每个珠子穿越细胞。其中,研究人员以恒定的速度将每个珠子向细胞边缘拉动,并测量出将珠子拖动一定距离所需的力。

此处,他们将这里需要的力定义为细胞质给予的机械阻力。

关于力产生的原因,他们推断主要来自两个方面:多孔弹性和粘弹性。

多孔弹性取决于细胞质多快能将水从一个区域扩散出来。该团队的研究人员表示,之所以认为存在弹性细胞质,是因为发现细胞器需要花费较长时间来将水扩散出,而细胞质的特性符合对该特性的定义。

粘弹性,是描述细胞骨架(又称蛋白质网)的变化速度。细胞的细胞骨架作为一种支架,由数千种蛋白质组成,它们持续地组装、拆卸和重新组装。这种动态网络可以像弹性固体和粘性流体一样被移动的细胞器感受到。其中,细胞骨架自身重组速度越快,流体越流畅。据此研究人员猜测,细胞器在通过更流畅的、频繁变化的细胞骨架时,会感觉到较少的阻力。

郭明及其研究团队分析了实验结果,发现细胞器(即实验中微小塑料珠)的大小和速度与遇到的阻力类型有关。

一般情况下,由于多孔弹性的性质,所以塑料珠越多,阻力越大;但还需考虑,当一颗珠子的速度越快,受到的阻力也会越大,对此,郭明解释道:“移动得越快,在细胞器看来,细胞骨架结构的重组速度就越慢,故而所受的阻力就越大。”

据此,研究人员根据实验结果绘制了相位图。

总结

关于研究成果的应用,它能直接将药物治疗转化为简单的数值计算和图形参考。医药科学家可以直接参考此图,计算出定制药物的大小,实现更精准的定向治疗。

未来,麻省理工学院生物工程、电气工程与计算机科学与机械工程教授Alan Grodzinsky,以及加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai将加入研究工作。

原文发布于微信公众号 - 镁客网(im2maker)

原文发表时间:2017-08-22

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