Flottor av mikroskopiska maskiner sliter iväg i dina celler, utföra kritiska biologiska uppgifter och hålla dig vid liv. Genom att kombinera teori och experiment, forskare har upptäckt det överraskande sättet en av dessa maskiner, kallas spindeln, undviker avmattningar:trängsel.

Spindeln delar kromosomerna på mitten under celldelning, säkerställa att båda avkommacellerna innehåller en hel uppsättning genetiskt material. Spindeln består av tiotusentals styva, ihåliga rör som kallas mikrotubuli förbundna med biologiska motorer.

Mikrotubuli drivs bara framåt när de är anslutna till en granne som pekar i motsatt riktning. Tidigare observationer, dock, visade mikrotubuli som kryssar i full fart även när de bara kopplas till grannar som vetter samma väg. I en ny tidning publicerad 2 september i Naturfysik , forskarna ger ett svar på detta pussel. Mikrotubulierna är så intrasslade med varandra att även de som inte aktivt skjuts framåt dras med i full fart av publiken.

"Det är som ett övergångsställe i New York City, " säger studiens huvudförfattare Sebastian Fürthauer, en forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Biology (CCB) i New York City. "Människor som går olika vägar är alla blandade, ändå kan alla röra sig i full fart och flyta smidigt förbi varandra."

Resultaten kommer att hjälpa forskare att bättre förstå det cellulära maskineriet som segregerar kromosomer under celldelning och varför denna process ibland går fel. Om en spindel gör sitt jobb felaktigt, det kan introducera fel som saknade eller extra kromosomer som kan leda till komplikationer som infertilitet och cancer, säger Fürthauer.

Fürthauer och CCB-chefen Michael Shelley, båda tillämpade matematiker, arbetade med projektet tillsammans med ett tvärvetenskapligt team av experimentella biologer och fysiker från Harvard University, Massachusetts Institute of Technology, Indiana University, och University of California, Santa Barbara.

Ett av biofysikens övergripande mål är att koppla småskaliga komponenters aktivitet till den storskaliga dynamiken hos celler och organismer. Egenskaperna hos huvudspindelkomponenterna är relativt väl studerade. Mikrotubuli är långa, styva polymerstavar som liknar sugrör, var och en med ett 'minus' och ett 'plus'. Molekylära motorer hakar fast i och rör sig längs mikrotubuli med hjälp av ett par molekylära "fötter". Kinesin motorer, till exempel, har två par fötter, en i vardera änden. Kinesinmolekyler kan fästa till två olika mikrotubuli, med varje par fötter som marscherar från minusänden till plusänden av varje mikrotubuli.

Om plus- och minusändarna på båda mikrotubulierna är inriktade, de två paren fötter går i samma riktning och mikrotubulierna rör sig inte i förhållande till varandra. Om mikrotubulierna är antiinriktade, fötterna rör sig i motsatta riktningar, vilket gör att mikrotubulierna glider förbi varandra. Den samlade rörelsen av alla mikrotubuli bestämmer spindelns tillväxt och form.

Tidigare studier fokuserade mest på situationer där motorer var knappa. Forskare hade antagit att detta var en korrekt representation av vad som händer i faktiska celler. I ett sådant scenario, en mikrotubulus rörelse skulle bero på grannarnas orientering. Mikrotubuli i linje med sina grannar skulle stanna kvar medan de som trotsade publiken skulle zooma fram.

Riktiga spindlar, dock, uppvisa inte detta förväntade beteende. Mikrotubuli omgiven av grannar som vetter samma väg rör sig fortfarande i full fart. Så vad är det som driver dem framåt?

Fürthauer och kollegor undersökte hur mikrotubulierna kollektivt skulle röra sig om systemet var packat med massor av motorer, vilket resulterar i många kopplingar mellan mikrotubuli. De utvecklade en matematisk teori om hur mekaniska spänningar utvecklas i kollektivet när mikrotubuli trycks och dras mot varandra av de många motorerna.

Deras teori förutspår att mikrotubulierna är i linje, med varje mikrotubuli vänd mot en av två motsatta riktningar. Där mikrotubuli med motsatt orientering blandas, de drivs framåt som förväntat. Mikrotubuli på andra ställen, teorin säger, är så intrasslade med sina grannar att de också dras med på färden. Varje mikrotubuli, därför, rör sig med exakt samma hastighet som gångmotorerna oavsett sin plats i mängden.

Experiment utförda av forskarna med mikrotubuli och rikliga kinesinmotorer matchade dessa förutsägelser. Dessutom, teorin och experimenten matchade verkliga spindlar:I äggen från afrikanska grodor, mikrotubuli i spindlar rör sig med ungefär samma hastighet som motorerna som förbinder dem är kända för att gå.

Grodspindelns beteende är "mycket tydande på att den faktiska biologin lever i den regim vi ser i våra experiment, " Fürthauer säger. "Med denna nya förståelse, vi kan nu fråga:Hur kan vi bygga en spindel? Kan vi rekonstruera denna komplexa biologiska maskin i en datorsimulering, eller till och med i provröret?" Han och hans kollegor hoppas att de närmar sig.