细胞质如何“感受”细胞的成分

在一个显微镜下，一个细胞的细胞质可以像纽约时代广场的一个小水下版本：成千上万的蛋白质聚集在一个细胞质的水环境中，聚集在一起，就像一个细胞骨架的快闪族一样分裂。线粒体和溶酶体等细胞器必须穿过这个拥挤，不断变化的细胞质空间，将物质输送到细胞的各个部位。

现在麻省理工学院的工程师发现，这些细胞器和其他细胞内成分可能会在周围的细胞质中经历非常不同的环境。例如，细胞核可以“感觉”细胞质为液体，蜂蜜状物质，而线粒体可能更像牙膏。

该团队由英国麻省理工学院机械工程系的英国人和Alex d'Arbeloff职业发展助理教授Ming Guo领导，发现细胞器在细胞质中有一定的抵抗力，这取决于细胞器的大小和移动速度。一个细胞。特别是，这些特征决定了它能够轻易地推动细胞质周围的水并穿过其不断变化的细胞骨架蛋白质结构网。

某些细胞器可能需要更加努力地通过细胞质，因此可能会感觉更强。研究人员发现，任何主要细胞器可能感受到的阻力范围从粘性液体到弹性橡胶状固体。

鉴于细胞器的大小和速度，郭和他的同事已经制定了一个相图来描述细胞质类似的材料类型，从细胞器的角度来看。

“我们的主要目标是提供对活细胞作为材料的最基本的理解，”郭说。“有了这个相图，只要你告诉我一个细胞器移动的大小和速度，我就可以告诉你它所看到的机械环境。”

本周发表在“美国国家科学院院刊”上的研究结果可能有助于指导药物设计。例如，通过团队的相图，科学家们可以定制药物的大小，使其能够以一定的轻松度在细胞内移动。

“一种直径为100纳米的药物会产生与500纳米宽度不同的阻力，”郭说。“这可以成为了解药物如何在细胞内传递和运输的指南。”

该研究的主要作者是麻利理学院前访问学生胡良良，他今年秋天将作为研究生加入郭氏实验室。其他合着者包括郭玉涵，郭氏实验室的博士后;麻省理工学院生物工程，电气工程，计算机科学和机械工程教授Alan Grodzinsky;加州大学圣地亚哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai。

多么拖累

研究细胞内物质运输的大多数科学家都把重点放在了这种运输的驱动因素上 - 即分子马达，这是一系列生物制剂，它们将细胞的能量主动转化为机械工作，将货物运送到细胞内。

“但作为机械工程师，我们认为驱动力不是这种运输过程的唯一部分，但周围材料的阻力实际上同样重要，”郭说。“例如，不仅仅是你自己的能量决定了你如何在人群中移动 - 人群的机械阻力本身也会影响你的运动。”

在活细胞的情况下，郭想知道周围的细胞质是否会对线粒体和溶酶体等主要细胞器的运动产生类似的拥挤效应。

为了验证他的假设，他和他的同事们对活体哺乳动物细胞进行了实验，他们在其中注入了尺寸从0.5到1.5微米的微小塑料珠，覆盖了大多数主要细胞器。然后，他们使用光学镊子将每个珠子拖过一个细胞，这种技术采用高度聚焦的激光束来物理移动微观物体。

研究人员以恒定速度将每个珠子捕获并拉向细胞边缘，并测量将珠子拖动一定距离所需的力。他们将这种力解释为周围细胞质的机械阻力。

然后他们认为细胞质的机械阻力源于两个主要来源：多孔弹性和粘弹性。多孔弹性起源于细胞质将水从一个区域扩散出来的速度。该小组认为，细胞质越多，细胞质越多，细胞器等物体就越需要将水推出去。

在细胞质的背景下，粘弹性是指其细胞骨架或蛋白质网改变构型的速度。细胞的细胞骨架是一种支架，由数千种不断组装，拆卸和重新组装的蛋白质制成。这种动态网络可以感觉像弹性固体和粘性流体。细胞骨架重新排列得越快，它就越像液体。研究人员推断，细胞器在穿过更像液体的，经常变化的细胞骨架时会感觉到更小的阻力。

这完全取决于观点

郭和他的同事分析了他们的实验结果，发现珠子的大小和速度与它在拖过细胞时遇到的阻力类型有关。通常，珠子越大，它们越多地遇到多孔弹性，因为具有更大表面积的大珠子必须推动更多的水来自己移动。

另一方面，拖动珠子的速度越快，它就越能遇到类似固体的阻力。正如郭解释的那样，“你移动的速度越快，你看到的永久性[细胞骨架]结构就会越来越强烈。”

研究人员根据他们的实验结果绘制了他们的相图。然后，他们通过科学文献查看了其他人对活细胞中实际细胞器进行的速度和大小测量。他们将这些测量结果绘制在图表上，并发现，鉴于它们的大小和速度，这些细胞器应在细胞质内经历一系列阻力。

“如果你问一个细胞核，它们会告诉你细胞质就像蜂蜜一样，因为它们非常大而且很慢，而且它们感觉不到细胞骨架结构 - 它们只感觉到粘性的分解蛋白质溶液，并且具有非常小的阻力，”郭说。“但是线粒体会说它就像牙膏一样，因为它们更小更快，有时会被这些不断变化的结构所阻挡。溶酶体甚至更小更快，会告诉你细胞质实际上是Jell-O，因为它们是如此快速地移动，他们不断地从这些结构中弹跳并遇到阻力，就像橡胶一样。所以他们的观点受到他们自身尺寸和速度的限制。“

郭希望科学家们使用该组的相图来表征其他细胞成分，以了解他们如何看待细胞质环境。

“人们可以使用其他参数来找出不同细胞器应该属于哪个阶段的相图，”郭说。“这将告诉你他们会感受到什么样的独特材料。”