Äggceller är de största enskilda cellerna på planeten. Deras storlek – ofta flera till hundratals gånger så stor som en typisk cell – gör att de kan växa till hela organismer, men det gör det också svårt att transportera näringsämnen och andra molekyler runt cellen. Forskare har länge vetat att mogna äggceller, kallade oocyter, genererar inre, twister-liknande vätskeflöden för att transportera näringsämnen, men hur dessa flöden uppstår i första hand har varit ett mysterium.
Nu har forskning ledd av beräkningsforskare vid Flatiron Institute, tillsammans med medarbetare vid Princeton och Northwestern universitet, avslöjat att dessa flöden – som ser ut som mikroskopiska tornados – uppstår organiskt från interaktioner mellan ett fåtal cellulära komponenter.
Deras arbete, publicerat i Nature Physics , använde teori, avancerad datormodellering och experiment med äggceller från fruktflugor för att avslöja vridarnas mekanik. Resultaten hjälper forskare att bättre förstå grundläggande frågor om äggcellsutveckling och cellulär transport.
"Våra fynd representerar ett stort steg inom detta område", säger medförfattare Michael Shelley, chef för Flatiron Institutes Center for Computational Biology (CCB). "Vi kunde tillämpa avancerade numeriska tekniker från annan forskning som vi har utvecklat i flera år, vilket ger oss en mycket bättre överblick över den här frågan än någonsin tidigare."
I en typisk mänsklig cell tar det bara 10 till 15 sekunder för en typisk proteinmolekyl att slingra sig från ena sidan av cellen till den andra via diffusion; i en liten bakteriecell kan denna resa ske på bara en enda sekund. Men i fruktflugans äggceller som studeras här skulle enbart diffusion ta en hel dag - alldeles för lång tid för cellen att fungera korrekt. Istället har dessa äggceller utvecklat "twister-flöden" som cirkulerar runt oocytens inre för att snabbt distribuera proteiner och näringsämnen, precis som en tromb kan plocka upp och flytta material mycket längre och snabbare än vinden ensam.
"Efter att den har befruktats kommer oocyten att bli det framtida djuret", säger studiens medförfattare Sayantan Dutta, forskare vid Princeton och CCB. "Om du förstör flödet i oocyten, utvecklas inte det resulterande embryot."
Forskarna använde ett avancerat biofysikprogram med öppen källkod som heter SkellySim som utvecklats av forskare från Flatiron Institute.
Med SkellySim modellerade de de cellulära komponenterna som var involverade i att skapa twisters. Dessa inkluderar mikrotubuli - flexibla filament som kantar insidan av en cell - och molekylära motorer, som är specialiserade proteiner som fungerar som cellulära arbetshästar, som bär speciella grupper av molekyler som kallas nyttolaster. Forskare är inte exakt säkra på vad dessa nyttolaster är gjorda av, men de spelar en nyckelroll för att generera flödena.
Forskarna simulerade rörelsen hos tusentals mikrotubuli när de reagerade på krafterna som utövas av nyttolastbärande molekylära motorer. Genom att gå fram och tillbaka mellan experiment och deras simuleringar kunde forskarna förstå strukturen av vridningsflödena och hur de uppstod från interaktionen mellan cellvätskan och mikrotubuli.
"Vårt teoretiska arbete tillåter oss att zooma in och faktiskt mäta och visualisera dessa twisters i 3D", säger studiens medförfattare och CCB-forskaren Reza Farhadifar. "Vi såg hur dessa mikrotubuli kan generera storskaliga flöden bara genom självorganisering, utan några externa signaler."
Modellerna avslöjade att inuti oocyten spänns mikrotubuli under kraften från de molekylära motorerna. När en mikrotubuli spänns eller böjs under denna belastning, får den omgivande vätskan att röra sig, vilket kan omorientera andra mikrotubuli.
I en tillräckligt stor grupp av böjande mikrotubuli böjer sig alla mikrotubuli i samma riktning, och vätskeflödena blir "samverkande". Med mikrotubulierna kollektivt böjda skapar de rörliga nyttolasterna ett virvel- eller twisterliknande flöde över hela ägget, vilket hjälper molekyler att spridas runt cellen. Med twisters kan molekyler färdas genom cellen på 20 minuter istället för 20 timmar.
"Modellen visade att systemet har en otrolig förmåga att organisera sig för att skapa detta funktionella flöde", säger Shelley. "Och du behöver bara några ingredienser - bara mikrotubuli, cellens geometri och molekylära motorer som bär nyttolaster."
De nya rönen lägger grunden för en bättre förståelse av äggcellsutveckling. Resultaten kan också hjälpa till att avmystifiera materialtransport i andra celltyper.
"Nu när vi vet hur dessa twisters bildas kan vi ställa djupare frågor, som hur blandar de molekylerna inuti cellen?" säger Farhadifar. "Detta öppnar en ny dialog mellan teori och experiment."
Det nya arbetet ger en fräsch titt på mikrotubuli, säger Dutta. Mikrotubuli spelar en central roll i olika celltyper och cellfunktioner – som celldelning – över nästan alla eukaryota organismer, såsom växter och djur. Det gör dem till "en mycket viktig del av en cells verktygslåda", säger Dutta.
"Genom att bättre förstå deras mekanismer tror jag att vår modell kommer att hjälpa till att driva utvecklingen av många andra riktigt intressanta problem inom cellulär biofysik."
Mer information: Sayantan Dutta et al, Självorganiserade intracellulära twisters, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02372-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Simons Foundation
