科學家們首次將微量跟蹤設(shè)備直接引入哺乳動物細胞內(nèi)部，從而空前地窺視了控制發(fā)育開始的過程。

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

這項研究由巴斯大學生物學與生物化學系的托尼·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胞。結(jié)果是一個健康的受精卵，里面裝有跟蹤裝置。

這些微小的設(shè)備有點像蜘蛛，帶有八個高度靈活的“腿”。腿測量細胞內(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)揮作用的細胞力，并顯示細胞內(nèi)物質(zhì)如何隨時間重新排列。

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。這意味著當單細胞胚胎開始航行成為兩細胞胚胎時，它們可以靈活地記錄細胞的細胞質(zhì)運動。

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

為什么要探究細胞的機械行為?

佩里教授解釋說，細胞內(nèi)的活動決定了細胞的功能。他說：“細胞內(nèi)物質(zhì)的行為可能與基因表達一樣對細胞行為產(chǎn)生影響。”然而，直到現(xiàn)在，這種關(guān)于細胞材料的復(fù)雜舞蹈仍未得到充分研究。結(jié)果，科學家已經(jīng)能夠識別組成細胞的元素，但不能識別細胞內(nèi)部整體的行為。

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

“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。”

選擇小鼠胚胎是因為它們的體積較大(直徑為100微米或1億分之一米，而普通細胞的直徑僅為10微米[10百萬分之一]) )。這意味著在每個胚胎內(nèi)部，都有用于跟蹤設(shè)備的空間。

研究人員通過檢查在胚胎發(fā)育過程中通過顯微鏡拍攝的錄像來進行測量。佩里教授說：“有時候，設(shè)備會被比肌肉細胞內(nèi)部更大的力傾斜和扭曲。”“在其他時候，設(shè)備移動得很少，表明細胞內(nèi)部已經(jīng)變得平靜。這些過程并沒有什么隨機性-從擁有一個細胞的胚胎開始，所有事情都是以可預(yù)測的方式完成的。 。”

結(jié)果增加了生物學的新形象，表明活細胞內(nèi)的物質(zhì)不是靜態(tài)的，而是隨著細胞執(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)。這項工作可能有一天會影響我們對細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，西班牙和美國的生物學家，材料科學家和物理學家之間的跨學科合作。