_ Cercetătorii descoperă misterul vârtejurilor învolburate în celule de ou

Ovulul sunt cele mai mari celule individuale de pe planetă. Dimensiunea lor – de multe ori de câteva până la sute de ori mai mare decât o celulă tipică – le permite să crească în organisme întregi, dar îngreunează și transportul nutrienților și a altor molecule în jurul celulei. Oamenii de știință știu de multă vreme că celulele ouă în curs de maturizare, numite ovocite, generează fluxuri interne de fluide, asemănătoare unor sucitoare, pentru a transporta nutrienții, dar modul în care aceste fluxuri apar în primul rând a fost un mister.

Acum, cercetarea condusă de Oamenii de știință computaționali de la Institutul Flatiron, împreună cu colaboratorii de la universitățile Princeton și Northwestern, au dezvăluit că aceste fluxuri – care arată ca tornade microscopice – apar organic din interacțiunile câtorva componente celulare.

Lucrările lor, publicate. în Nature Physics, a folosit teoria, modelarea avansată pe computer și experimentele cu celule de ouă a muștei fructelor pentru a descoperi mecanica răsucitorilor. Rezultatele îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine întrebările fundamentale despre dezvoltarea celulelor ouă și transportul celular.

„Descoperirile noastre reprezintă un salt mare în acest domeniu”, spune coautorul Michael Shelley, director al Centrului pentru Institutul Flatiron pentru Biologie computațională (CCB). „Am fost capabili să aplicăm tehnici numerice avansate din alte cercetări pe care le-am dezvoltat de ani de zile, ceea ce ne permite să vedem această problemă mult mai bine decât a fost posibil până acum.”

La un om tipic. celulă, durează doar 10 până la 15 secunde pentru ca o moleculă tipică de proteină să meargă dintr-o parte a celulei în cealaltă prin difuzie; într-o celulă bacteriană mică, această călătorie se poate întâmpla într-o singură secundă. Dar în celulele ouă ale muștei fructelor studiate aici, difuzarea singură ar dura o zi întreagă - mult prea mult pentru ca celula să funcționeze corect. În schimb, aceste ovule au dezvoltat „fluxuri răsucitoare” care se rotesc în jurul interiorului ovocitului pentru a distribui rapid proteinele și nutrienții, la fel cum o tornadă poate ridica și muta materialul mult mai departe și mai repede decât vântul singur.

„După ce este fertilizat, ovocitul va deveni viitorul animal”, spune coautorul studiului Sayantan Dutta, cercetător la Princeton și CCB. „Dacă distrugi fluxul în ovocit, embrionul rezultat nu se dezvoltă.”

Cercetătorii au folosit un pachet software avansat de biofizică open-source numit SkellySim, dezvoltat de cercetătorii Institutului Flatiron.

Cu SkellySim, au modelat componentele celulare implicate în crearea răsucitorilor. Acestea includ microtubuli - filamente flexibile care căptușesc interiorul unei celule - și motoare moleculare, care sunt proteine ​​specializate care servesc drept cai de lucru celulari, purtând grupuri speciale de molecule cunoscute sub numele de sarcini utile. Oamenii de știință nu sunt exact siguri din ce sunt făcute aceste sarcini utile, dar ele joacă un rol cheie în generarea fluxurilor.

Cercetătorii au simulat mișcarea a mii de microtubuli în timp ce aceștia au răspuns la forțele exercitate de sarcina utilă- purtând motoare moleculare. Mergând înainte și înapoi între experimente și simulările lor, cercetătorii au reușit să înțeleagă structura fluxurilor de twister și modul în care acestea au apărut din interacțiunea dintre fluidul celular și microtubuli.

„Lucrarea noastră teoretică ne permite pentru a mări și pentru a măsura și vizualiza efectiv aceste răsuciri în 3D”, spune Reza Farhadifar, coautor al studiului și cercetător al CCB. „Am văzut cum acești microtubuli pot genera fluxuri pe scară largă doar prin auto-organizare, fără niciun indiciu extern.”

Modelele au arătat că în interiorul ovocitului, microtubulii se cladează sub forța motoarelor moleculare. Atunci când un microtubul se îndoaie sau se îndoaie sub această sarcină, face ca fluidul din jur să se miște, ceea ce poate reorienta alți microtubuli.

Într-un grup suficient de mare de microtubuli îndoiți, toți microtubulii se îndoaie în aceeași direcție, iar fluxurile de fluid devin „cooperante”. Odată cu microtubulii îndoiți în mod colectiv, sarcinile utile în mișcare creează un vârtej sau un flux asemănător unui sucitor în întregul ou, ajutând moleculele să se disperseze în jurul celulei. Cu ajutorul răsucitorilor, moleculele pot călători prin celulă în 20 de minute în loc de 20 de ore.

„Modelul a arătat că sistemul are o capacitate incredibilă de a se organiza pentru a crea acest flux funcțional”, spune Shelley. „Și aveți nevoie doar de câteva ingrediente – doar microtubuli, geometria celulei și motoare moleculare care transportă sarcini utile.”

Noile descoperiri pun bazele unei mai bune înțelegeri a dezvoltării celulelor ouă. Rezultatele ar putea ajuta, de asemenea, la demistificarea transportului de material în alte tipuri de celule.

„Acum că știm cum se formează aceste răsucitoare, putem pune întrebări mai profunde, cum ar fi cum amestecă moleculele din interiorul celulei?” spune Farhadifar. „Acest lucru deschide un nou dialog între teorie și experiment.”

Noua lucrare oferă o privire nouă asupra microtubulilor, spune Dutta. Microtubulii joacă un rol central în diferite tipuri de celule și funcții celulare, cum ar fi diviziunea celulară, în aproape toate organismele eucariote, cum ar fi plantele și animalele. Acest lucru le face „o parte foarte importantă a cutiei de instrumente a unei celule”, spune Dutta.

„Pentru o mai bună înțelegere a mecanismelor lor, cred că modelul nostru va ajuta la dezvoltarea multor alte probleme cu adevărat interesante în domeniul celular. biofizică."

(Fluierul)