_ Modelarea și simularea de răsucitori intracelulari auto-organizați în ovocitul Drosophila

Scurgerea citoplasmatică este mișcarea pe scară largă a citoplasmei (adică, lichid gelatinos în interiorul celulelor) în interiorul unei celule vii. Acest flux, cunoscut pentru reglarea diferitelor procese intracelulare, poate varia foarte mult între diferitele tipuri de celule în diferite stadii de dezvoltare a unei celule. Examinarea și modelarea diferitelor tipuri de fluxuri citoplasmatice ne poate ajuta să înțelegem cum apar ele în anumite tipuri de celule.

Studiile anterioare au examinat în primul rând fluxurile citoplasmatice în flux în celule mari unde, se argumentează adesea, difuzia este prea lentă. pentru a permite procesele biologice pe care organismele trebuie să le efectueze (de exemplu, dezvoltarea unui ou sau a unui embrion sau în celule mari de plante).

Ca urmare a acestei difuzii lente, fluxul permite o distribuție mai rapidă a componente celulare. În ovocitele timpurii de muște (adică, celulele ouă în curs de dezvoltare), de exemplu, fluxul citoplasmatic apare aleatoriu, în timp ce în etapele ulterioare de dezvoltare, unde ovocitul este mai mare, ele pot apărea la scară mare și rotaționale.

Cercetătorii. de la Flatiron Institute, pe baza lucrărilor anterioare, a introdus recent o strategie de modelare versatilă care poate fi utilizată pentru a studia fluxul citoplasmatic auto-organizat în sisteme formate din fibre deformabile cuplate hidrodinamic.

Acest model, introdus în Nature Physics. și, în colaborare cu oamenii de știință de la universitățile Princeton și Northwestern, a fost combinat cu datele colectate în experimente pe ovocitul Drosophila (adică musca fructelor) pentru a aduna informații despre fluxul citoplasmatic auto-organizat.

„Am fost lucrând în domeniile generale ale materiei biologic active, mecanicii intracelulare și fluidelor complexe pentru o perioadă”, a declarat Michael J. Shelley, coautor al lucrării, pentru Phys.org. „Problema abordată în lucrarea noastră recentă combină toate aceste domenii, fiecare dintre ele îmi place foarte mult.

„Am aflat despre această problemă specială a fluxurilor în ovocite de la prietenul meu Ray Goldstein și mi-am dat seama că am lucrat anterior cu mine. Colegul de la Flatiron, David Stein, ar putea fi adaptat să înțeleagă ceva despre problema ovocitelor. A făcut-o, iar David și cu mine am lucrat împreună cu Ray și colegii săi de la Cambridge la un prim model 2D foarte redus.” Acea lucrare a fost publicată în Physical Review Letters în 2021.

Cercetătorii de la Institutul Flatiron au avut au dezvoltat anterior diverse instrumente pentru a studia hidrodinamica microtubulilor în mișcare, biopolimeri rigidi care sunt un element central al citoscheletului celulei.Shelley, Stein și colegii lor Reza Farhadifar, Sayantan Dutta și Stas Shvartsman au planificat să folosească aceste instrumente numerice pentru a studia debutul fluxuri citoplasmatice auto-organizate în celulele 3D.

„Obiectivul principal al studiului nostru recent a fost acela de a oferi un model minim, dar nu prea minimal, care să invoce doar microtubuli, motoare moleculare și citoplasmă care ar putea explica observațiile experimentale. și ajută la realizarea de predicții", a explicat Shelley.

Studiul recent realizat de Shelley și colegii săi combină fizica și teoriile matematice cu rezultate experimentale. Cercetătorii au început prin a crea un model pe care apoi l-ar putea folosi pentru a simula Flux citoplasmatic auto-organizat în ovocitul Drosophila.

„Am scris un model matematic pentru tensiunile pe care motoarele moleculare le creează deplasându-se pe un microtubul”, a spus Shelley. „Acest model ar trebui să permită microtubulului să se îndoaie sub sarcini și ca îndoirea lui să miște citoplasma, ceea ce afectează îndoirea altor microtubuli. Apoi, a folosit un software de înaltă calitate – aici numit SkellySim – care vă permite să simulați câteva mii de astfel de microtubuli interacționează prin împingerea colectivă a fluidului în timp ce se îndoaie în mod colectiv.”

După ce și-au dezvoltat modelul și au rulat simulări, Shelley și colegii săi au efectuat experimente pe ovocite de Drosophila. În primul rând, au folosit microscopia luminoasă pentru a examina mișcările citoplasmatice în celulele ouă în curs de dezvoltare și apoi au analizat datele pe care le-au colectat folosind velocimetria imagistică a particulelor pentru a reconstrui câmpurile de viteză citoplasmatică.

„Harrea noastră oferă un exemplu clar despre cum, cu un foarte puține ingrediente, despre modul în care un sistem de transport pe scară largă (adică fluxul de flux) ar putea apărea în celulă din interacțiunile doar a câtorva componente (adică, microtubuli, motoare și citoplasmă)", a spus Shelley. "Frumusețea constă în robustețea sa, deoarece în mari părți ale spațiului parametrilor care controlează modelul, sistemul vrea doar să formeze un twister. Acesta este un exemplu grozav, cred, de auto-organizare biologică pentru a îndeplini o sarcină."

În mod deosebit, folosind modelul lor, cercetătorii au putut, de asemenea, să prezică efectul formei celulei asupra orientării răsucitorilor. Predicțiile lor sugerează că, în timp ce dinamica fluxului citoplasmatic în ovocitele de Drosophila ar putea fi incredibil de complexă, acestea au ca rezultat o stare finală simplă (adică, o sucitură).

Descoperirile adunate de Shelley și colaboratorii săi ar putea deschid în curând calea pentru explorări ulterioare ale fluxului citoplasmatic, concentrându-se în mod special pe această stare simplă de răsucire. Acest lucru ar putea duce la noi descoperiri interesante despre fizica care stau la baza proceselor vitale din celulele biologice.

„Această lucrare a demonstrat puterea pe care calcularea de înaltă performanță și algoritmii moderni o pot aduce pentru înțelegerea fenomenelor biofizice”, a adăugat Shelley. „În următoarele studii, intenționăm să explorăm modul în care aceste fluxuri răsucitoare amestecă componentele în celulă sau permit livrarea lor dintr-un punct în altul.

„Există și alte sisteme de transport în interiorul ovocitelor, cum ar fi prin canalele inelare, care sunt foarte interesante. În general, sunt interesat de multiplele moduri în care citoscheletul celular se organizează pentru a realiza lucrurile celulare.”

© 2024 Science X Network

(Fluierul)