Zytoplasmatische Strömung ist die großräumige Bewegung des Zytoplasmas (dh der gallertartigen Flüssigkeit innerhalb der Zellen) innerhalb einer lebenden Zelle. Dieser Fluss, von dem bekannt ist, dass er verschiedene intrazelluläre Prozesse reguliert, kann zwischen verschiedenen Zelltypen und in verschiedenen Stadien der Zellentwicklung stark variieren. Die Untersuchung und Modellierung der verschiedenen Arten zytoplasmatischer Flüsse kann uns helfen zu verstehen, wie sie in bestimmten Zelltypen entstehen.
Frühere Studien untersuchten hauptsächlich strömende zytoplasmatische Ströme in großen Zellen, wo oft argumentiert wird, dass die Diffusion zu langsam sei, um biologische Prozesse zu ermöglichen, die Organismen durchführen müssen (z. B. die Entwicklung einer Eizelle oder eines Embryos oder in großen Pflanzenzellen).
Durch diese langsame Diffusion ermöglicht die Strömung eine schnellere Verteilung der Zellbestandteile. In frühen Fliegenoozyten (d. h. sich entwickelnden Eizellen) beispielsweise erscheint die Zytoplasmaströmung zufällig, während sie in späteren Entwicklungsstadien, wenn die Eizelle größer ist, großräumig und rotierend erscheinen kann.
Forscher am Flatiron Institute haben, aufbauend auf früheren Arbeiten, kürzlich eine vielseitige Modellierungsstrategie eingeführt, mit der sich die selbstorganisierte zytoplasmatische Strömung in Systemen untersuchen lässt, die aus hydrodynamisch gekoppelten verformbaren Fasern bestehen.
Dieses Model, eingeführt In Naturphysik und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern an den Universitäten Princeton und Northwestern wurden mit Daten kombiniert, die in Experimenten an der Eizelle der Drosophila (d. h. Fruchtfliege) gesammelt wurden, um Erkenntnisse über den selbstorganisierten zytoplasmatischen Fluss zu gewinnen.
„Ich arbeite seit einiger Zeit in den allgemeinen Bereichen biologisch aktive Materie, intrazelluläre Mechanik und komplexe Flüssigkeiten“, sagte Michael J. Shelley, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Das Problem, mit dem wir uns in unserem aktuellen Artikel befassen, vereint all diese Bereiche, von denen mir jeder einzelne wirklich gefällt.
„Ich habe von meinem Freund Ray Goldstein etwas über dieses spezielle Problem des Flusses in Eizellen erfahren und erkannte, dass frühere Arbeiten mit meinem Flatiron-Kollegen David Stein angepasst werden könnten, um etwas über das Eizellenproblem zu verstehen. Das tat es, und David und ich arbeiteten mit Ray zusammen seine Kollegen in Cambridge an einem ersten sehr reduzierten 2D-Modell. Diese Arbeit wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung im Jahr 2021.
Forscher am Flatiron Institute hatten zuvor verschiedene Instrumente entwickelt, um die Hydrodynamik sich bewegender Mikrotubuli zu untersuchen, steife Biopolymere, die ein zentrales Element des Zytoskeletts der Zelle sind. Shelley, Stein und ihre Kollegen Reza Farhadifar, Sayantan Dutta und Stas Shvartsman planten, diese numerischen Werkzeuge zu verwenden, um den Beginn selbstorganisierter zytoplasmatischer Flüsse in 3D-Zellen zu untersuchen.
„Das Hauptziel unserer jüngsten Studie bestand darin, ein minimales, aber nicht zu minimales Modell bereitzustellen, das nur Mikrotubuli, molekulare Motoren und Zytoplasma berücksichtigt und experimentelle Beobachtungen erklären und bei der Erstellung von Vorhersagen helfen könnte“, erklärte Shelley.
Die aktuelle Studie von Shelley und seinen Kollegen kombiniert physikalische und mathematische Theorien mit experimentellen Ergebnissen. Die Forscher erstellten zunächst ein Modell, mit dem sie dann die selbstorganisierte zytoplasmatische Strömung in der Eizelle von Drosophila simulieren konnten.
„Wir haben ein mathematisches Modell für die Belastungen erstellt, die molekulare Motoren durch die Bewegung auf einem Mikrotubulus erzeugen“, sagte Shelley. „Dieses Modell sollte es den Mikrotubuli ermöglichen, sich unter Last zu biegen und durch ihre Biegung das Zytoplasma zu bewegen, was sich auf die Biegung anderer Mikrotubuli auswirkt. Als nächstes wurde eine hochwertige Software – hier SkellySim genannt – verwendet, mit der Sie einige Tausend davon simulieren können Solche Mikrotubuli interagieren, indem sie gemeinsam Flüssigkeit drücken, während sie sich gemeinsam biegen.“
Zeitlicher Verlauf der Konfigurationen von Mikrotubuli, die an der Innenoberfläche einer Kugel verankert sind, in einer Schnittansicht für eine Simulation mit Parametern P¯=15 und σ¯=45 (Fall II). Der Zeitstempel zeigt die Zeit normalisiert auf die Relaxationszeit eines einzelnen Mikrotubulus. Kredit: Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02372-1
Nachdem sie ihr Modell entwickelt und Simulationen durchgeführt hatten, führten Shelley und seine Kollegen Experimente mit Eizellen von Drosophila durch. Zunächst untersuchten sie mithilfe der Lichtmikroskopie die zytoplasmatischen Bewegungen in sich entwickelnden Eizellen und analysierten dann die gesammelten Daten mithilfe der Particle Imaging Velocimetry, um zytoplasmatische Geschwindigkeitsfelder zu rekonstruieren.
„Unsere Arbeit liefert ein klares Beispiel dafür, wie mit sehr wenigen Zutaten ein groß angelegtes Transportsystem (d. h. der Strömungsfluss) in der Zelle aus den Wechselwirkungen nur weniger Komponenten (d. h. Mikrotubuli, Motoren) entstehen könnte und Zytoplasma)“, sagte Shelley. „Das Schöne liegt in seiner Robustheit, da das System in weiten Teilen des Parameterraums, der das Modell steuert, einfach nur einen Twister bilden möchte. Das ist meiner Meinung nach ein großartiges Beispiel für die biologische Selbstorganisation zur Ausführung einer Aufgabe.“
Bemerkenswert ist, dass die Forscher mithilfe ihres Modells auch den Einfluss der Zellform auf die Ausrichtung von Twistern vorhersagen konnten. Ihre Vorhersagen deuten darauf hin, dass die Dynamik der zytoplasmatischen Strömung in Drosophila-Oozyten zwar unglaublich komplex sein könnte, letztlich aber zu einem einfachen Endzustand (d. h. einem Twister) führt.
Die von Shelley und seinen Mitarbeitern gesammelten Erkenntnisse könnten bald den Weg für weitere Untersuchungen der zytoplasmatischen Strömung ebnen, die sich insbesondere auf diesen einfachen Twister-Zustand konzentrieren. Dies könnte zu interessanten neuen Entdeckungen über die Physik führen, die lebenswichtigen Prozessen in biologischen Zellen zugrunde liegt.
„Diese Arbeit hat gezeigt, welche Leistungsfähigkeit Hochleistungsrechnen und moderne Algorithmen zum Verständnis biophysikalischer Phänomene bieten können“, fügte Shelley hinzu. „In unseren nächsten Studien wollen wir untersuchen, wie diese Twister-Ströme Komponenten in der Zelle vermischen oder ihre Lieferung von einem Punkt zum anderen ermöglichen.“
„Es gibt andere Transportsysteme innerhalb von Eizellen, beispielsweise durch Ringkanäle, die sehr interessant sind. Mich interessiert generell die vielfältige Art und Weise, wie sich das zelluläre Zytoskelett organisiert, um zelluläre Dinge zu erledigen.“
Mehr Informationen:
Sayantan Dutta et al., Selbstorganisierte intrazelluläre Twister, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02372-1
© 2024 Science X Network