Äggceller är bland de största cellerna i djurriket. Om den bara rörs av slumpmässiga knuffar av vattenmolekyler, ett protein kan ta timmar eller till och med dagar att driva från ena sidan av en bildande äggcell till den andra. Lyckligtvis, naturen har utvecklats ett snabbare sätt:cellomspännande virvlar i de omogna äggcellerna hos djur som möss, zebrafisk och fruktflugor. Dessa virvlar möjliggör pendling mellan celler som bara tar en bråkdel av tiden. Men tills nu, forskare visste inte hur dessa avgörande flöden bildades.

Med hjälp av matematisk modellering, forskare har nu ett svar. Gyres är ett resultat av det kollektiva beteendet hos stavliknande molekylära rör som kallas mikrotubuli som sträcker sig inåt från cellernas membran, forskarna rapporterar den 13 januari i Fysiska granskningsbrev .

"Även om man inte förstår mycket om den biologiska funktionen av dessa flöden, de distribuerar näringsämnen och andra faktorer som organiserar kroppsplanen och styr utvecklingen, " säger studiens huvudförfattare David Stein, en forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Biology (CCB) i New York City. Med tanke på hur brett de virvlande flödena har observerats i hela djurriket, "de finns förmodligen även hos människor."

Gabriele De Canio, en forskare vid University of Cambridge, ledde studien tillsammans med Stein. Deras medförfattare var CCB-direktören och New York University-professorn Michael Shelley och Cambridge-professorerna Eric Lauga och Raymond Goldstein.

Forskare har studerat cellflöden sedan slutet av 1700-talet, när den italienske fysikern Bonaventura Corti kikade in i celler med sitt mikroskop. Han såg vätskor i konstant rörelse, men forskare förstod inte mekanismerna som driver dessa flöden förrän på 1900-talet, när de identifierade källan till rörelsen:molekylära motorer som går längs mikrotubulierna. Dessa motorer drar stora biologiska nyttolaster som lipider. Att släpa lasten genom en cells relativt tjocka vätskor är som att dra en badboll genom honung. När nyttolasten rör sig genom vätskan, vätskan rör sig också, skapar en liten ström.

Men ibland är de strömmarna inte så små. I vissa utvecklingsstadier av en vanlig fruktflugas äggcell, forskare såg bubbelpoolliknande strömmar som sträckte sig över hela cellen. I dessa celler, mikrotubuli sträcker sig inåt från cellens membran som stjälkar av vete. Molekylära motorer som klättrar i dessa mikrotubuli trycker nedåt på mikrotubuli när de stiger. Den nedåtgående kraften böjer mikrotubuli, omdirigering av de resulterande flödena.

Tidigare studier övervägde denna böjningsmekanism men tillämpade den på isolerade mikrotubuli. Dessa studier förutspådde att mikrotubulierna skulle svänga runt i cirklar, men sådant beteende stämde inte överens med observationer.

I den nya studien, forskarna lade till en nyckelfaktor till sin modell:påverkan av närliggande mikrotubuli. Det tillägget visade att vätskeflödena som genereras av de lastbärande motorerna böjer närliggande mikrotubuli i samma riktning. Med tillräckligt med motorer och en tillräcklig täthet av mikrotubuli, alla mikrotubuli lutar så småningom ihop som ett vetefält fångat i en stark bris. Denna kollektiva inriktning orienterar alla flöden i samma riktning, skapar den cellomfattande virveln som ses i riktiga fruktflugaceller.

Medan man är förankrad i verkligheten, den nya modellen är avskalad till det absolut nödvändigaste för att avslöja de förhållanden som är ansvariga för de virvlande flödena. Forskarna arbetar nu med versioner som mer realistiskt fångar fysiken bakom flödena för att bättre förstå vilken roll strömmarna spelar i biologiska processer.