用于细胞的多功能工具

细胞具有绝对可靠的嗅觉，告诉它们生长的方向是否靠近香味源。ETH研究人员现在已经了解了这种嗅觉是如何起作用的。细胞面临的一个常见问题是它们被一种有前途的气味云包围，必须确定其来源的方向。例如，神经细胞形成长的延伸，其被来自其他细胞的信号吸引，以产生形成神经系统的网络; 类似地，清道夫细胞识别有害细菌的气味，以便它们可以追捕并摧毁它们。

但细胞如何感知这些气味信号，随着距离源的距离增加，这些信号变得越来越弱; 细胞如何“读取”信号的这种弱化 - 技术上称为信号梯度 - 以便控制它们向信号源的增长或移动?如何感知空间信号是生物学面临的一个基本问题 - 到目前为止，这个谜题仍未得到很好的解决。

传感器，处理器和电机都集于一身

现在，由生物化学研究所的ETH教授Matthias Peter领导的研究人员提出了一个可能的解决方案。酵母细胞有一个非常精细，可调节的多功能工具，可以识别化学信号，相应地处理它们，并启动正确的响应 - 向信号源增长。因此，酵母细胞能够闻到周围潜在性伴侣的位置，从而使它们能够向它们生长。

生物学家使用显微镜观察和计算机模型进行了他们的研究，他们通过与Heinz Koeppl(现在达姆施塔特工业大学)自动控制实验室的研究人员的跨学科合作开发出来。

许多蛋白质形成多种工具

如果细胞怀疑信号梯度在附近，它会在膜上的随机位置组装多功能工具。该工具是由100多种不同成分组成的大型蛋白质复合物; 复合体太大，可以通过荧光显微镜看到。研究人员将其称为“极性位点”(PS)，因为极化生长位于其形成的位置。

使用荧光显微镜，研究人员现在观察了PS如何定位梯度的信号源。首先，PS沿着膜移向更强的信号。一旦它识别出最强的信号 - 即梯度中最大量的信号物质 - 它就会停止移动。PS然后在该位置处的单元中产生凸起，其继续朝向信号源生长。当然，信号是由性伴侣产生的，两个细胞一旦找到彼此就会融合。

使用模型减少复杂结构

为了理解这一过程的分子力学，研究人员提到了计算机模型。“这个模型确实帮助我们降低了PS的复杂性，并将过程简化为一些必要的组件，” 发展细胞杂志发表的一项研究的第一作者BjörnHegemann说。机器的这些基本组件包括一个接收和转发信号的接收器; 其他包括沿着膜携带受体的蛋白质Cdc42和调节Cdc42活性的蛋白质Cdc24。“你可以将受体描述为机头，Cdc42作为机械轮，Cdc24作为制动器，”Hegemann说。

当PS穿过细胞膜并寻找更强的化学信号时，机器中仅存在少量分解蛋白Cdc24。一旦发现信号的最大浓度，PS就会要求额外的Cdc24分子(它们存储在细胞核中)与复合物结合。连接到PS机器的Cdc24分子越多，它变得越慢。然而，只有当Cdc24数量超过某个阈值时，PS才会完全停止并开始细胞中的凸起形成。

一块重要的基石

“首先，我们使用荧光显微镜观察极性位点的运动。然后我们在计算机上模拟这种运动，这使我们能够建立一个如何控制运动的假设。然后我们能够通过突变和实验证实这一假设。使用荧光显微镜，“Hegemann说，他对这一新发现很满意。他说，相对简单的计算机模型为规划实验提供了良好的基础，使研究人员能够快速改变组件，从而确定重要方面。他说，这使得研究更加简单，因为没有必要通过实验测试所有内容。

Hegemann认为不仅酵母细胞使用类似极性位点的多功能工具。在裂殖酵母(S. pombe)和蛔虫(秀丽隐杆线虫)中也观察到类似于PS的行为。)，虽然没有分子解释。ETH研究人员现在提供了这种解释，并首次详细描述了细胞如何定位气味梯度。这项工作为进一步研究细胞的空间信号感知奠定了重要基础 - 无论是酵母还是人类。根据Hegemann的说法，目前没有设想直接的医疗应用：“在遥远的未来，这项工作可能会使公众受益。但目前，它主要代表了基础研究的重要进展。”