在顯微鏡下，細胞的細胞質(zhì)可能類似于紐約時代廣場的一個微小的水下版本：成千上萬的蛋白質(zhì)聚集在細胞質(zhì)的水環(huán)境中，聚集在一起，像細胞骨架的快閃族一樣分裂。線粒體和溶酶體等細胞器必須穿過這個擁擠，不斷變化的細胞質(zhì)空間，將物質(zhì)輸送到細胞的各個部位?，F(xiàn)在，麻省理工學院的工程師發(fā)現(xiàn)，這些細胞器和其他細胞內(nèi)成分可能會在周圍的細胞質(zhì)中經(jīng)歷非常不同的環(huán)境。例如，細胞核可以“感覺”細胞質(zhì)為液體，蜂蜜狀物質(zhì)，而線粒體可能更像牙膏。

該團隊由麻省理工學院機械工程系的英國人，英國人和Alex d'Arbeloff職業(yè)發(fā)展助理教授Ming Guo領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)細胞器在細胞質(zhì)中有一定的抵抗力，這取決于細胞器的大小和移動速度。一個細胞。特別是，這些特征決定了它能夠輕易地推動細胞質(zhì)周圍的水并穿過其不斷變化的細胞骨架蛋白結(jié)構(gòu)網(wǎng)。

某些細胞器可能需要更加努力地通過細胞質(zhì)，因此可能會感覺更強。研究人員發(fā)現(xiàn)，任何主要細胞器可能感受到的阻力范圍從粘性液體到彈性橡膠狀固體。

鑒于細胞器的大小和速度，郭和他的同事已經(jīng)制定了一個相圖來描述細胞質(zhì)類似的材料類型，從細胞器的角度來看。“我們的主要目標是提供對活細胞作為材料的最基本的理解，”郭說。“有了這個相圖，只要你告訴我一個細胞器移動的大小和速度，我就可以告訴你它所看到的機械環(huán)境。”

本周發(fā)表在“ 美國國家科學院院刊 ”上的研究結(jié)果可能有助于指導(dǎo)藥物設(shè)計。例如，通過團隊的相圖，科學家們可以定制藥物的大小，使其能夠以一定的輕松度在細胞內(nèi)移動。“一種直徑為100納米的藥物會產(chǎn)生與500納米寬度不同的阻力，”郭說。“這可以成為了解藥物如何在細胞內(nèi)傳遞和運輸?shù)闹改稀?rdquo;

該研究的主要作者是麻省理工學院前訪問學生胡良良，他今年秋天將作為研究生加入郭氏實驗室。其他合著者包括郭玉涵，郭氏實驗室的博士后; 麻省理工學院生物工程，電氣工程，計算機科學和機械工程教授Alan Grodzinsky; 加州大學圣地亞哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai。

多么拖累

研究細胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)拇蠖鄶?shù)科學家都把重點放在了這種運輸?shù)尿?qū)動因素上 - 即分子馬達，這是一系列生物制劑，它們將細胞的能量主動轉(zhuǎn)化為機械工作，將貨物運送到細胞內(nèi)。“但作為機械工程師，我們認為驅(qū)動力不是這種運輸過程的唯一部分，但周圍材料的阻力實際上同樣重要，”郭說。“例如，不僅僅是你自己的能量決定了你如何穿過人群 - 人群的機械阻力也會影響你的運動。”

在活細胞的情況下，郭想知道周圍的細胞質(zhì)是否會對線粒體和溶酶體等主要細胞器的運動產(chǎn)生類似的擁擠效應(yīng)。

為了驗證他的假設(shè)，他和他的同事們對活體哺乳動物細胞進行了實驗，他們在其中注入了0.5到1.5微米大小的微小塑料珠，覆蓋了大多數(shù)主要細胞器。然后，他們使用光學鑷子將每個珠子拖過一個細胞，這種技術(shù)采用高度聚焦的激光束來物理移動微觀物體。

研究人員將每個珠子以恒定速度捕獲并拉向細胞邊緣，并測量將珠子拖動一定距離所需的力。他們將這種力解釋為周圍細胞質(zhì)的機械阻力。

然后，他們認為細胞質(zhì)的機械阻力源于兩個主要來源：多孔彈性和粘彈性。多孔彈性起源于細胞質(zhì)將水從一個區(qū)域擴散出來的速度。該小組推斷，細胞質(zhì)越多，細胞質(zhì)越多，細胞器等物體就越需要將水推出去。

在細胞質(zhì)的背景下，粘彈性是指其細胞骨架或蛋白質(zhì)網(wǎng)改變構(gòu)型的速度。細胞的細胞骨架作為一種支架，由數(shù)千種不斷組裝，拆卸和重新組裝的蛋白質(zhì)制成。這種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以感覺像彈性固體和粘性流體。細胞骨架重新排列得越快，它就越像液體。研究人員推斷，細胞器在穿過更像液體的，經(jīng)常變化的細胞骨架時會感覺到更小的阻力。

這完全取決于觀點

郭和他的同事分析了他們的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)珠子的大小和速度與它在拖過細胞時遇到的阻力類型有關(guān)。通常，珠子越大，它們越多地遇到多孔彈性，因為具有更大表面積的大珠子必須推動更多的水來移動自身。

另一方面，拖動珠子越快，它就越能遇到類似固體的阻力。正如郭解釋的那樣，“你移動的速度越快，你看到的永久性[細胞骨架]結(jié)構(gòu)就會越來越強烈。”

研究人員根據(jù)他們的實驗結(jié)果繪制了他們的相圖。然后，他們通過科學文獻查看了其他人對活細胞中實際細胞器進行的速度和大小測量。他們將這些測量結(jié)果繪制在圖表上，并發(fā)現(xiàn)，鑒于它們的大小和速度，這些細胞器應(yīng)該在細胞質(zhì)內(nèi)經(jīng)歷一系列的抗性。“如果你問一個細胞核，它們會告訴你細胞質(zhì)就像蜂蜜一樣，因為它們非常大而且很慢，而且它們感覺不到細胞骨架結(jié)構(gòu) - 它們只感覺到粘性的分解蛋白質(zhì)溶液，并且具有非常小的阻力，”郭說。“但是線粒體會說它像牙膏一樣，因為它們更小更快，有時被這些不斷變化的結(jié)構(gòu)所阻擋。溶酶體甚至更小更快，會告訴你細胞質(zhì)實際上是Jell-O，因為它們是如此快速地移動，他們不斷地從這些結(jié)構(gòu)中彈出并遇到阻力，就像橡膠一樣。所以他們的觀點受到他們自身尺寸和速度的限制。“

郭希望科學家們將使用該組的相圖來表征其他細胞成分，以了解他們?nèi)绾慰创麄兊募毎|(zhì)環(huán)境。“人們可以使用其他參數(shù)來找出不同細胞器應(yīng)該屬于哪個階段的相圖，”郭說。“這將告訴你他們會感受到什么樣的獨特材料。”