För första gången, forskare har introducerat små spårningsanordningar direkt i det inre av däggdjursceller, ge en enastående inblick i de processer som styr början av utvecklingen.

Detta arbete med encelliga embryon kommer att förändra vår förståelse av de mekanismer som ligger till grund för cellulärt beteende i allmänhet, och kan i slutändan ge insikter om vad som går fel vid åldrande och sjukdomar.

Forskningen, ledd av professor Tony Perry från institutionen för biologi och biokemi vid University of Bath, involverade att injicera ett kiselbaserat nanodevice tillsammans med spermier i äggcellen hos en mus. Resultatet blev ett friskt, befruktat ägg som innehåller en spårningsanordning.

De små enheterna är lite som spindlar, komplett med åtta mycket flexibla 'ben'. Benen mäter 'drag- och skjutkrafterna' som utövas i cellens inre till en mycket hög precision, därigenom avslöjar de cellulära krafterna vid spel och visar hur intracellulär materia omarrangerade sig över tiden.

Nanodelenheterna är otroligt tunna - liknande några av cellens strukturella komponenter, och mäter 22 nanometer, vilket gör dem cirka 100, 000 gånger tunnare än ett pundmynt. Detta betyder att de har flexibiliteten att registrera rörelsen av cellens cytoplasma när ettcellsembryot ger sig ut på sin resa mot att bli ett tvåcellsembryo.

"Detta är den första glimten av fysiken i någon cell i denna skala inifrån, "sade professor Perry." Det är första gången någon har sett inifrån hur cellmaterial rör sig och organiserar sig. "

Varför undersöka cellens mekaniska beteende?

Aktiviteten i en cell avgör hur den cellen fungerar, förklarar professor Perry. "Beteendet hos intracellulär materia är förmodligen lika inflytelserikt för cellbeteende som genuttryck, sa han. Tills nu, dock, denna komplexa dans av cellulärt material har förblivit i stort sett ostudierad. Som ett resultat, forskare har kunnat identifiera de element som utgör en cell, men inte hur cellens interiör beter sig som en helhet.

"Från studier i biologi och embryologi, vi vet om vissa molekyler och cellulära fenomen, och vi har vävt denna information till en reduktionistisk berättelse om hur saker fungerar, men nu förändras denna berättelse, "sade professor Perry. Berättelsen skrevs till stor del av biologer, som förde med sig biologiens frågor och verktyg. Det som saknades var fysik. Fysiken frågar om krafterna som driver en cells beteende, och ger ett top-down-tillvägagångssätt för att hitta svaret.

"Vi kan nu titta på cellen som helhet, inte bara muttrarna och bultarna som gör det. "

Musembryon valdes ut för studien på grund av deras relativt stora storlek (de mäter 100 mikron, eller 100-miljondelar av en meter, i diameter, jämfört med en vanlig cell som endast har en diameter på 10 mikron [10-milondels meter]. Detta innebar att inuti varje embryo, det fanns plats för en spårningsenhet.

Forskarna gjorde sina mätningar genom att undersöka videoinspelningar som tagits genom ett mikroskop när embryot utvecklades. "Ibland slogs och vriddes enheterna av krafter som var ännu större än de inuti muskelcellerna, "sade professor Perry." Vid andra tillfällen, enheterna rörde sig väldigt lite, visar cellinredning hade blivit lugn. Det var inget slumpmässigt med dessa processer-från det ögonblick du har ett encelligt embryo, allt görs på ett förutsägbart sätt. Fysiken är programmerad. "

Resultaten bidrar till en framväxande bild av biologi som antyder att material inuti en levande cell inte är statiskt, men i stället ändrar dess egenskaper på ett förordnat sätt när cellen utför sin funktion eller svarar på miljön. Arbetet kan en dag få konsekvenser för vår förståelse av hur cellerna åldras eller slutar fungera som de borde, vilket är vad som händer vid sjukdom.

Studien publiceras den här veckan i Naturmaterial och involverade ett tvärvetenskapligt partnerskap mellan biologer, materialvetare och fysiker baserade i Storbritannien, Spanien och USA.