微型机器队在你的细胞中劳作 执行重要的生物任务并让你活着

微型机器队在你的细胞中劳作，执行重要的生物任务并让你活着。通过理论和实验的结合，研究人员发现了令人惊讶的方式，其中一台机器，称为主轴，避免了减速：拥堵。

在细胞分裂过程中，纺锤体将染色体分成两半，确保后代细胞都含有一整套遗传物质。主轴由成千上万个由生物电机连接的称为微管的坚硬中空管组成。

当微管连接到指向相反方向的邻居时，微管仅向前推进。然而，先前的观察显示，即使仅与面向相同方式的邻居相连，微管也全速巡航。在9月2日发表在Nature Physics上的一篇新论文中，研究人员提供了这个难题的答案。微管彼此缠绕在一起，即使那些没有主动向前发射的微管也会被人群全速拖拽。

“这就像纽约市一条人行横道，”研究主要作者，纽约市熨斗研究所计算生物学中心(CCB)研究科学家SebastianFürthauer说。“走路方式不同的人都混在一起，但每个人都能够全速前进并顺畅地流过彼此。”

这些发现将有助于科学家更好地了解在细胞分裂过程中分离染色体的细胞机制，以及为什么这个过程有时会出错。Fürthauer说，如果一个主轴不能正常工作，它可能会引入错误，例如遗漏或额外的染色体，这些错误会导致不孕和癌症等并发症。

Fürthauer和CCB主任Michael Shelley都是应用数学家，他们与来自哈佛大学，麻省理工学院，印第安纳大学和加州大学圣巴巴拉分校的实验生物学家和物理学家的跨学科团队一起参与了该项目。

生物物理学的总体目标之一是将小规模组成部分的活动与细胞和生物体的大规模动态联系起来。主轴部件的性能相对较好。微管是长而硬的聚合物棒，类似于吸管，每个都有一个“减”端和一个“加”端。分子马达使用一对分子“脚”锁住微管并沿微管移动。例如，Kinesin电机有两对脚，两端各一个。驱动蛋白分子可以附着在两个不同的微管上，每对脚从每个微管的负端前进到正端。

如果两个微管的正端和负端对齐，则两对脚沿相同方向行走并且微管不相对于彼此移动。如果微管反对，则脚向相反方向移动，导致微管彼此滑过。所有微管的集体运动决定了纺锤体的生长和形态。

以前的研究主要集中在电机缺乏的情况。科学家们认为这是对实际细胞中发生情况的准确表示。在这种情况下，微管的运动将取决于其邻居的方向。与邻居对齐的微管将保持不变，而那些蔑视人群的微管将向前放大。

然而，真正的纺锤不会表现出这种预期的行为。面对相同方式的邻居包围的微管仍然全速移动。那么是什么促使他们前进?

Fürthauer及其同事研究了如果系统中装有大量电动机，微管将如何共同移动，导致微管之间存在大量连接。他们开发了一个数学理论，说明当微管被众多电机推动和拉动时，机械应力如何在集体中产生。

他们的理论预测微管排列，每个微管面向两个相反方向中的一个。在相反方向的微管混合的情况下，它们按预期向前推进。理论认为，其他地方的微管与邻居如此纠缠在一起，以至于他们也被拉到了旁边。因此，每个微管都以精确的行走马达速度移动，无论其在人群中的位置如何。

研究人员使用微管和丰富的驱动蛋白马达进行的实验符合这些预测。此外，理论和实验与现实世界的锭子相匹配：在非洲爪蛙的卵中，锭子中的微管以大致相同的速度移动，已知连接它们的马达可以行走。

Fürthauer说，青蛙纺锤体的行为“非常暗示实际的生物学存在于我们在实验中看到的体系中”。“通过这种新的理解，我们现在可以问：我们如何构建一个主轴?我们能否在计算机模拟中甚至在试管中重建这种复杂的生物机器?” 他和他的同事希望他们越来越近了。