• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Daggdroppar på ett spindelnät avslöjar fysiken bakom cellstrukturer

    Forskare i laboratorierna till Princeton University-forskarna Joshua Shaevitz, Howard Stone, och Sabine Petry har upptäckt att ytspänning driver det vätskeliknande proteinet TPX2 att bilda kulor som bildar grenar av mikrotubuli under celldelning. Papperet som beskriver dessa upptäckter dök upp i numret av tidskriften den 28 januari Naturfysik . Här, TPX2 (gröna) pärlor på mikrotubuli (röda) i mikrofotografier, med en skalstång på en mikron. Kredit:Sagar U. Setru, Bernardo Gouveia, Raymundo Alfaro-Aco, Joshua W. Shaevitz, Howard A. Stone och Sabine Petry

    Som alla kockar vet, vissa vätskor blandas väl med varandra, men andra gör det inte. Till exempel, när en matsked vinäger hälls i vatten, en kort omrörning räcker för att blanda de två vätskorna ordentligt. Dock, en matsked olja som hälls i vatten kommer att smälta samman till droppar som ingen mängd omrörning kan lösa upp. Fysiken som styr blandningen av vätskor är inte begränsad till blandningsskålar; det påverkar också beteendet hos saker inuti celler. Det har varit känt i flera år att vissa proteiner beter sig som vätskor, och att vissa vätskeliknande proteiner inte blandas ihop. Dock, mycket lite är känt om hur dessa vätskeliknande proteiner beter sig på cellulära ytor.

    "Separationen mellan två vätskor som inte kommer att blandas, som olja och vatten, är känd som "vätske-vätskefasseparation", och det är centralt för funktionen hos många proteiner, sade Sagar Setru, en doktorsexamen 2021. examen som arbetade med både Sabine Petry, professor i molekylärbiologi, och Joshua Shaevitz, en professor i fysik och Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics.

    Sådana proteiner löser sig inte inuti cellen. Istället, de kondenserar med sig själva eller med ett begränsat antal andra proteiner, tillåta celler att uppdela vissa biokemiska aktiviteter utan att behöva linda in dem i membranbundna utrymmen.

    "Inom molekylärbiologi, studiet av proteiner som bildar kondenserade faser med vätskeliknande egenskaper är ett snabbt växande område, sade Bernardo Gouveia, en doktorand i kemi och biologisk teknik, arbetar med Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik, och ordförande för avdelningen. Setru och Gouveia samarbetade som förstaförfattare i ett försök att bättre förstå ett sådant protein.

    "Vi var nyfikna på beteendet hos det vätskeliknande proteinet TPX2. Det som gör detta protein speciellt är att det inte bildar vätskedroppar i cytoplasman som tidigare observerats, men istället verkar genomgå fasseparation på biologiska polymerer som kallas mikrotubuli, ", sa Setru. "TPX2 är nödvändigt för att göra grenade nätverk av mikrotubuli, vilket är avgörande för celldelningen. TPX2 är också överuttryckt i vissa cancerformer, så att förstå dess beteende kan ha medicinsk relevans."

    Här, ett bordsexperiment visar hur en enhetlig beläggning av glycerol på en tråd övergår till pärlor. Att dra ut tråden snabbt från injektionsflaskan med glycerol (vänster) resulterar i en tjockare beläggning och större, mer spridda pärlor, medan en långsam tillbakadragning (höger) leder till en tunnare beläggning och mindre, närmare pärlor. Kredit:Sagar U. Setru, Bernardo Gouveia, Raymundo Alfaro-Aco, Joshua W. Shaevitz, Howard A. Stone och Sabine Petry

    Individuella mikrotubuli är linjära filament som är stavliknande till formen. Under celldelning, nya mikrotubuli bildas på sidorna av befintliga för att skapa ett förgrenat nätverk. De platser där nya mikrotubuli kommer att växa är markerade av kulor av kondenserad TPX2. Dessa TPX2-kulor rekryterar andra proteiner som är nödvändiga för att generera tillväxt av mikrotubuli.

    Forskarna var nyfikna på hur TPX2-kulor bildas på en mikrotubuli. Att få reda på, de bestämde sig för att försöka observera processen i aktion. Först, de modifierade mikrotubulierna och TPX2 så att var och en skulle lysa med en annan fluorescerande färg. Nästa, de placerade mikrotubulierna på ett objektglas, lade till TPX2, och sedan tittade för att se vad som skulle hända. De gjorde också observationer med mycket hög rumslig upplösning med hjälp av en kraftfull avbildningsmetod som kallas atomkraftsmikroskopi.

    "Vi fann att TPX2 först täcker hela mikrotubuli och sedan bryts upp i droppar som är jämnt fördelade, liknande hur morgondagg täcker ett spindelnät och bryts upp i droppar, sa Gouveia.

    Setru, Gouveia och kollegor fann att detta uppstår på grund av något fysiker kallar Rayleigh-Plateau instabilitet. Även om icke-fysiker kanske inte känner igen namnet, de kommer redan att vara bekanta med fenomenet, vilket förklarar varför en vattenström som faller från en kran bryts upp i droppar, och varför en enhetlig beläggning av vatten på en sträng av spindelnät smälter samman till separata pärlor.

    "Det är förvånande att hitta sådan vardaglig fysik i molekylärbiologins värld i nanoskala, sa Gouveia.

    Här, fluorescensmikroskopi visar att TPX2 (grön) övergår från en enhetlig beläggning på en mikrotubuli (ej visad) till diskreta pärlor. Skalstång 1 mikron, tidsstämpel i sekunder. Kredit:Sagar U. Setru, Bernardo Gouveia, Raymundo Alfaro-Aco, Joshua W. Shaevitz, Howard A. Stone och Sabine Petry

    Förlänger sina studier, forskarna fann att avståndet och storleken på TPX2-kulor på en mikrotubuli bestäms av tjockleken på den initiala TPX2-beläggningen - det vill säga, hur mycket TPX2 finns. Detta kan förklara varför mikrotubulusförgrening förändras i cancerceller som överuttrycker TPX2.

    "Vi använde simuleringar för att visa att dessa droppar är ett mer effektivt sätt att göra grenar än att bara ha en enhetlig beläggning eller bindning av proteinet längs hela mikrotubuli, sa Setru.

    "Att fysiken för droppbildning, så tydligt synligt för blotta ögat, har en roll att spela på mikrometerskalan, hjälper till att etablera det växande gränssnittet (ingen ordlek) mellan mjuk materiens fysik och biologi, sade Rohit Pappu, Edwin H. Murty professor i teknik vid Washington University i St. Louis, som inte var inblandad i studien.

    "Den underliggande teorin kommer sannolikt att vara tillämpbar på ett urval av gränssnitt mellan vätskeliknande kondensat och cellulära ytor, ", tillägger Pappu. "Jag misstänker att vi kommer att komma tillbaka till det här arbetet om och om igen."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com