受描述香槟中气泡如何形成的数学启发的活细胞工程框架

蛋白质的催化

普林斯顿大学的研究人员已经开发出一种框架,可以改造细胞内组织关键功能的蛋白质滴。他们发现的关键是气泡形成理论,改编自经典材料科学。在上面,一个工程蛋白片段(绿色)“种子”形成一个蛋白质液滴(红色),这是高级细胞器的基础,如核仁。这项新工作标志着科学家操纵细胞能力的巨大转变。图片由研究人员提供

气泡理论将细胞生物学带入一个新的、更定量的时代俄罗斯比利时赔率

该研究于2021年9月22日发表在该杂志上自然详细介绍了一个已建立的控制气泡和液滴形成的物理理论如何导致对组织活细胞内容的原理的新理解。这项工作标志着研究人员理解和控制细胞内复杂软材料能力的巨大转变。

“这种方法在材料科学中很常见,但我们已经对其进行了调整,在细胞中做了一些前所未有的事情,”首席研究员克利福德·布朗韦恩(Clifford Brangwynne)说。他是1992年6月K. Wu的工程学教授,也是普林斯顿生物工程计划(Princeton Bioengineering Initiative)的主任。

目前的工作是在十多年前Brangwynne发现细胞蛋白质在细胞内组织成液体结构之后进行的。这一见解引发了一个新的研究领域,即细胞的部分是如何形成的,就像油滴在水中凝聚一样。从那时起,科学家们就一直对这些结构如何组装的确切细节感到困惑。但要测量一个细胞内单个分子的黏糊糊的动力学是一件困难的事情,在那里,随着微小结构的形成和溶解,每秒钟1000次,神秘的、重叠的过程在混乱地翻滚。

博士后研究员Shunsuke Shimobayashi曾在京都大学(Kyoto University)研究软物质物理学,他想知道自己在称为脂类的有机化合物方面的背景是否能揭示有关这个问题的任何有趣的东西。如果蛋白质分子像油从水中分离一样从周围凝结,那么描述这一过程的第一步的数学方法,即成核,也许在蛋白质中也会被证明是有用的。

Shimobayashi转向了经典的成核理论,这是材料科学的支柱。它的方程式为20世纪一些最深刻的技术变革提供了动力,从首次揭示全球变暖的气候模型到帮助数十亿人摆脱饥饿的肥料。

他还敏锐地意识到一个关键的区别:这些方程描述的是简单的、无生命的系统,但细胞内部是混乱的。Shimobayashi说:“对于生物分子来说,这是一个更加复杂的材料环境。”为了解决这个问题,研究小组扩大了成员范围,包括普林斯顿理论科学中心的前研究员Pierre Ronceray和机械和航空航天工程教授Mikko Haataja。miko Haataja之前在Brangwynne实验室的理论和计算工作为相关研究提供了关键见解。研究人员将该理论简化为两个最重要的参数,并对其进行调整,试图了解这一过程在细胞中是如何工作的。为了验证这一理论,Shimobayashi使用了2018年在Brangwynne的实验室开发的一种先进的蛋白质工具,该工具提供了一个理想的、简化的系统,可以模拟细胞中自然发生的过程。把它们放在一起,结果令人震惊。

Shimobayashi试图诱导液滴瞬时播种时,该系统失败了。但是,当他以更慢的速度播撒液滴时,它们就会在精确确定的位置成核,以一种与他的适应理论完美吻合的方式。他预测了蛋白质液滴的形成方式、地点和时间,布朗韦恩称之为“非凡的”精度”。

接下来,研究小组又转向了复杂的原生细胞结构,现在他们正在与布兰温实验室的另一位博士后戴维·桑德斯(David Sanders)合作,桑德斯是研究细胞内部结构的专家,他的研究方向是“压力颗粒”。当他们考虑到所有影响蛋白质浓度的过程时,他们发现这个理论同样适用于压力颗粒和其他冷凝物。他们已经将蛋白质分子一个分子一个分子地组装成复杂的液体结构,这种结构调节着生命最基本的日常活动。Shimobayashi说,这些结构不仅在外观和行为上都像水中的油,它们还以相同的基本成核模式形成液滴,聚集在它们周围环境的微小变化周围,其速率可以用与其他材料一样的定量精度进行预测。

Brangwynne认为,随着这种预测能力的增强,工程能力也在不断增强。他相信,将生物分子过程量化,并在物理模型中开发预测模型,将导致一个世界,在这个世界中,我们不再被动地看着我们所爱的人死于类似的疾病阿尔茨海默氏症

“我们首先必须了解它是如何工作的,定量的数学框架是社会工程奇迹的基础。然后我们可以采取下一步,以更大的控制来操纵生物系统。”“我们需要能够转动旋钮。”

参考文献:《生物分子冷凝物的成核景观》,作者:Shunsuke F. Shimobayashi, Pierre Ronceray, David W. Sanders, Mikko P. Haataja和Clifford P. Brangwynne, 2021年9月22日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03905 - 5

这项名为“生物分子凝聚物的成核景观”的工作得到了霍华德·休斯医学研究所的部分支持,该研究所是普林斯顿大学工程与应用科学学院、美国国家卫生研究院和普林斯顿复杂材料中心颁发的重点研究团队奖。空军科学研究办公室和普林斯顿复杂材料中心。

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