科學(xué)家們首次將微量跟蹤設(shè)備直接引入哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)部，從而空前地窺視了控制發(fā)育開(kāi)始的過(guò)程。

對(duì)單細(xì)胞胚胎的這項(xiàng)工作旨在改變我們對(duì)總體上支持細(xì)胞行為的機(jī)制的理解，并可能最終提供有關(guān)衰老和疾病出在哪里的真知灼見(jiàn)。

這項(xiàng)研究由巴斯大學(xué)生物學(xué)與生物化學(xué)系的托尼·佩里(Tony Perry)教授領(lǐng)導(dǎo)，涉及將基于硅的納米裝置與精子一起注入小鼠的卵細(xì)胞。結(jié)果是一個(gè)健康的受精卵，里面裝有跟蹤裝置。

這些微小的設(shè)備有點(diǎn)像蜘蛛，帶有八個(gè)高度靈活的“腿”。腿測(cè)量細(xì)胞內(nèi)部施加的“拉力和推力”以非常高的精度，從而揭示出正在發(fā)揮作用的細(xì)胞力，并顯示細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)如何隨時(shí)間重新排列。

納米器件非常薄-與電池的某些結(jié)構(gòu)組件相似，尺寸為22納米，使它們比磅硬幣還要薄100,000倍。這意味著當(dāng)單細(xì)胞胚胎開(kāi)始航行成為兩細(xì)胞胚胎時(shí)，它們可以靈活地記錄細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

佩里教授說(shuō)：“這是從內(nèi)部如此規(guī)模的任何細(xì)胞的物理學(xué)的第一印象。”“這是任何人第一次從內(nèi)部看到細(xì)胞材料如何運(yùn)動(dòng)并自我組織。”

為什么要探究細(xì)胞的機(jī)械行為?

佩里教授解釋說(shuō)，細(xì)胞內(nèi)的活動(dòng)決定了細(xì)胞的功能。他說(shuō)：“細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的行為可能與基因表達(dá)一樣對(duì)細(xì)胞行為產(chǎn)生影響。”然而，直到現(xiàn)在，這種關(guān)于細(xì)胞材料的復(fù)雜舞蹈仍未得到充分研究。結(jié)果，科學(xué)家已經(jīng)能夠識(shí)別組成細(xì)胞的元素，但不能識(shí)別細(xì)胞內(nèi)部整體的行為。

佩里教授說(shuō)：“從生物學(xué)和胚胎學(xué)的研究中，我們了解了某些分子和細(xì)胞現(xiàn)象，并將這些信息編入了還原論的事物運(yùn)作方式的敘述中，但現(xiàn)在這種敘述正在改變。”該敘述主要由生物學(xué)家撰寫，他們帶來(lái)了生物學(xué)的問(wèn)題和工具。缺少的是物理。物理學(xué)詢問(wèn)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞行為的力，并提供一種自上而下的方法來(lái)尋找答案。

“我們現(xiàn)在可以從整體上看待電池，而不僅僅是制造它的螺母和螺栓。”

選擇小鼠胚胎是因?yàn)樗鼈兊捏w積較大(直徑為100微米或1億分之一米，而普通細(xì)胞的直徑僅為10微米[10百萬(wàn)分之一]) )。這意味著在每個(gè)胚胎內(nèi)部，都有用于跟蹤設(shè)備的空間。

研究人員通過(guò)檢查在胚胎發(fā)育過(guò)程中通過(guò)顯微鏡拍攝的錄像來(lái)進(jìn)行測(cè)量。佩里教授說(shuō)：“有時(shí)候，設(shè)備會(huì)被比肌肉細(xì)胞內(nèi)部更大的力傾斜和扭曲。”“在其他時(shí)候，設(shè)備移動(dòng)得很少，表明細(xì)胞內(nèi)部已經(jīng)變得平靜。這些過(guò)程并沒(méi)有什么隨機(jī)性-從擁有一個(gè)細(xì)胞的胚胎開(kāi)始，所有事情都是以可預(yù)測(cè)的方式完成的。 。”

結(jié)果增加了生物學(xué)的新形象，表明活細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)不是靜態(tài)的，而是隨著細(xì)胞執(zhí)行其功能或?qū)Νh(huán)境作出反應(yīng)而以預(yù)定的方式改變其性質(zhì)。這項(xiàng)工作可能有一天會(huì)影響我們對(duì)細(xì)胞如何老化或停止其應(yīng)有的工作的了解，這就是疾病的發(fā)生。

該研究于本周在《自然材料》上發(fā)表，涉及英國(guó)，西班牙和美國(guó)的生物學(xué)家，材料科學(xué)家和物理學(xué)家之間的跨學(xué)科合作。