抓住光滑的细胞膜

在我们的每个细胞内都有一个分配系统，它使用分子马达和细丝沿其内部框架或细胞骨架移动蛋白质，细胞器和其他微小货物。为了实现这一壮举，电机和灯丝必须牵引在货物包装周围的柔性膜上，但这些由称为脂质的脂肪分子制成的膜非常光滑。科学家们一直想知道分子运输机械如何能够保持其抓地力。这项工作很重要，因为对分子马达和膜力学基础科学的了解可以转化为对细胞和组织发育，伤口愈合和免疫系统反应的更好理解 - 以及癌细胞如何从单个肿瘤扩散到身体的其他部位。

由于伍斯特理工学院(WPI)和宾夕法尼亚大学(宾夕法尼亚大学)的合作研究项目，答案开始出现。由WPI物理学副教授ErkanTüzel博士和宾夕法尼亚肌肉研究所生物学教授兼宾夕法尼亚佩雷尔曼医学院教授Michael Ostap博士领导，该团队正在利用实验室实验和计算模型来研究它们之间的相互作用。电动机(由称为肌球蛋白-1的蛋白质制成)，细丝(由蛋白质肌动蛋白制成)和膜。他们的研究结果发表在科学报告在线发表的论文“由膜相关肌球蛋白-1产生力”一文中。

“为了保持抓地力，这些肌球蛋白-1分子需要对油膜产生足够的力，”Tüzel说。“他们如何做到这一点尚不清楚。现在我们可以说，'是的，数字是有道理的，物理确实有效。'”除运输货物外，细胞还具有许多基本功能 - 从分泌蛋白质到分成两个子细胞 - 需要精确操作细胞膜。这项工作是通过附着在肌动蛋白丝上的肌球蛋白电动机完成的，肌动蛋白丝必须抓住膜并拉紧它们。这项工作提供了有关电机如何保持抓地力的新见解。

深入了解这个谜团需要Tüzel的综合技能，Tüzel是一位理论生物物理学家，他开发了模拟复杂系统(包括活细胞)行为的算法和计算模型，以及Ostap，一位研究分子马达和其他结构的实验生物物理学家电池。他们在2014年肌肉与分子汽车戈登研究会议上开始合作。

对于目前的研究，Ostap实验室的研究员Serapion Pyrpassopoulos博士在两个荧光珠之间连接肌动蛋白丝上的肌球蛋白-1分子。使用Pyrpassopoulos开发的技术将肌球蛋白的尾部置于覆盖有脂质的球体上。

肌动蛋白丝在光阱的帮助下左右移动。随着肌球蛋白-1分子在球体上伸展和滑动，研究人员测量了分子对球体施加的力。Tüzel和WPI研究生GökerArpag?从这些单分子实验中获取数据，并开发出一种计算模型，可用于确定肌球蛋白-1分子有效操作膜所需的时间。

该模型显示，在膜中夹住单个脂质分子的单个肌球蛋白-1分子不能产生成功牵引膜所需的力。事实上，该模型预测，需要69到124个肌球蛋白-1分子，所有这些分子都附着在一个肌动蛋白丝上并且一起工作，才能完成这项工作。该模型还预测肌球蛋白-1分子将以不同的速率在膜的脂质表面上滑动。当一些人找到一个更容易抓住的区域时，其他人会在那里迁移并集体坚持，就像一个拔河队在绳索上聚集起来，在那里获得良好的立足点。

“我们还发现，较慢移动的肌球蛋白似乎可以帮助更快速滑动的肌球蛋白，让它们有时间移动到更容易抓握的区域，”Tüzel指出。

Tüzel和Ostap正在继续合作，根据计算机模型的预测计划新的实验。“这些基本的实验和模型令人兴奋，因为它们为我们提供了开始询问更多生理学相关问题的框架，”Ostap补充道，“就像肌球蛋白附着在其细胞货物上时发生的力量产生的情况一样。”