用流體機械分析法為細胞器運動(dòng)建模，一張圖即可呈現復雜生命活動(dòng)

MIT研究團隊的研究成果大大簡(jiǎn)化了定向藥物治療等相關(guān)領(lǐng)域的分析過(guò)程。

近日，MIT郭氏實(shí)驗室的研究團隊在美國科學(xué)院院刊上發(fā)文表示，已分析出關(guān)于細胞器在細胞質(zhì)內移動(dòng)時(shí)所需的阻力大小，并繪制了不同細胞器在不同濃度細胞質(zhì)環(huán)境下運動(dòng)的相位圖。

自然科學(xué)與工程

19世紀，面對變幻莫測的電磁場(chǎng)現象，麥克斯韋用一組方程組簡(jiǎn)潔明了的描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電荷密度與電流密度之間的關(guān)系，也恰恰是從這組簡(jiǎn)單的數學(xué)公式開(kāi)始，發(fā)展出了現如今蓬勃的電子科技技術(shù)。顯然，這一自然現象的數學(xué)性描述揭示了現象的本質(zhì)、促進(jìn)了電磁感應現象的工程應用與發(fā)展。

對于“工程”這一概念，MIT的一位教授曾這樣定義：對科學(xué)的有目的地使用，也就是讓科學(xué)從高大上變得接地氣，但是要想做到這一步，就需要對現實(shí)世界建模，試圖用確定性關(guān)系去描述自然科學(xué)現象中的變化。

而這里，MIT的郭明教授率領(lǐng)的團隊所做的工作與麥克斯韋方程組有著(zhù)異曲同工之妙。

從機械工程師的角度看生物細胞

細胞質(zhì)(cytoplasm)是細胞質(zhì)膜包圍的除核區外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱(chēng)，含水量約為80%。它是由細胞質(zhì)基質(zhì)、內膜系統、細胞骨架和包含物組成，是生命活動(dòng)的主要場(chǎng)所。

其中，細胞器就是分布于細胞質(zhì)內、具有一定形態(tài)、在細胞生理活動(dòng)中起重要作用的結構，它包括線(xiàn)粒體、葉綠體、質(zhì)體，內質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等。

而機械工程師郭明看重的是這些大小不同的細胞器在細胞質(zhì)中的運動(dòng)。郭明表示，在細胞質(zhì)中，細胞器本身大小的不同導致其行進(jìn)方式非常不同，如，細胞的細胞核在細胞質(zhì)中的運動(dòng)感覺(jué)是在類(lèi)似“蜂蜜”的液體中運動(dòng)，而線(xiàn)粒體在細胞質(zhì)中的運動(dòng)則像是在“牙膏”中運動(dòng)。

故而，不同大小的細胞器（物體）在細胞質(zhì)（環(huán)境）中受到的阻力是不同的。

對此，郭明進(jìn)一步表示：“我們現在做的工作主要就是從細胞器運動(dòng)的角度，提供一種對活體細胞的描述方式，有了我們這個(gè)相位圖，只要你告訴我細胞器的大小和移動(dòng)速度，我就可以告訴你從細胞器的角度來(lái)看，它當時(shí)所處的環(huán)境是怎樣的。”

生物細胞的機械建模研究

目前，研究細胞內材料運輸的大多數科學(xué)家將關(guān)注點(diǎn)主要都放在了細胞器運輸的驅動(dòng)因素上，雖然他們也主動(dòng)將細胞的能量分析轉化為機械工作，但郭明表示：“作為機械工程師，驅動(dòng)力不是運輸過(guò)程中的唯一因素，環(huán)境中的阻力也同樣重要。就像現實(shí)環(huán)境下，在考慮機械運動(dòng)的動(dòng)力時(shí)，我們也考慮阻力。”

在實(shí)驗前，郭明首先假設細胞質(zhì)對主要細胞器如線(xiàn)粒體等具有相似的阻力作用。為了檢驗假設的正確性，研究團隊對哺乳動(dòng)物的活細胞進(jìn)行了實(shí)驗。

首先，他們注入了大小為0.5到1.5微米的微小塑料珠，包裹了大多數主要的細胞器。然后，他們使用光學(xué)鑷子和高度聚焦的激光束物理移動(dòng)微觀(guān)物體的技術(shù)，拖動(dòng)每個(gè)珠子穿越細胞。其中，研究人員以恒定的速度將每個(gè)珠子向細胞邊緣拉動(dòng)，并測量出將珠子拖動(dòng)一定距離所需的力。

此處，他們將這里需要的力定義為細胞質(zhì)給予的機械阻力。

關(guān)于力產(chǎn)生的原因，他們推斷主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：多孔彈性和粘彈性。

多孔彈性取決于細胞質(zhì)多快能將水從一個(gè)區域擴散出來(lái)。該團隊的研究人員表示，之所以認為存在彈性細胞質(zhì)，是因為發(fā)現細胞器需要花費較長(cháng)時(shí)間來(lái)將水擴散出，而細胞質(zhì)的特性符合對該特性的定義。

粘彈性，是描述細胞骨架（又稱(chēng)蛋白質(zhì)網(wǎng)）的變化速度。細胞的細胞骨架作為一種支架，由數千種蛋白質(zhì)組成，它們持續地組裝、拆卸和重新組裝。這種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )可以像彈性固體和粘性流體一樣被移動(dòng)的細胞器感受到。其中，細胞骨架自身重組速度越快，流體越流暢。據此研究人員猜測，細胞器在通過(guò)更流暢的、頻繁變化的細胞骨架時(shí)，會(huì )感覺(jué)到較少的阻力。

郭明及其研究團隊分析了實(shí)驗結果，發(fā)現細胞器（即實(shí)驗中微小塑料珠）的大小和速度與遇到的阻力類(lèi)型有關(guān)。

一般情況下，由于多孔彈性的性質(zhì)，所以塑料珠越多，阻力越大；但還需考慮，當一顆珠子的速度越快，受到的阻力也會(huì )越大，對此，郭明解釋道：“移動(dòng)得越快，在細胞器看來(lái)，細胞骨架結構的重組速度就越慢，故而所受的阻力就越大。”

據此，研究人員根據實(shí)驗結果繪制了相位圖。

總結

關(guān)于研究成果的應用，它能直接將藥物治療轉化為簡(jiǎn)單的數值計算和圖形參考。醫藥科學(xué)家可以直接參考此圖，計算出定制藥物的大小，實(shí)現更精準的定向治療。

未來(lái)，麻省理工學(xué)院生物工程、電氣工程與計算機科學(xué)與機械工程教授A(yíng)lan Grodzinsky，以及加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai將加入研究工作。

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