随波逐流：模拟微管如何弯曲并将成熟卵细胞中的物质引导成螺旋状流动的快照。 （由 S Dutta 等人提供）
美国科学家模拟了通过成熟卵细胞（例如在新形成的胚胎中发现的卵细胞）输送营养物质的情况。 他们使用一个由微管、马达和流动性组成的简单系统，证明龙成交量风般的涡流可以使卵细胞发育所需的关键成分混合并在细胞周围快速运输。 这项工作增进了我们对卵细胞如何自我滋养的理解——这是有机体生长和发育的关键过程。
成熟的卵细胞或卵母细胞可能比其他类型的细胞大得多。 这是因为它们必须包含成长为整个有机体所需的一切。 然而，它们的大尺寸有一个主要缺点：它使得重要的营养物质更难到达细胞的所有部分。 例如，虽然蛋白质分子通过扩散从典型人类细胞的一侧移动到另一侧只需 10 到 15 秒，但在卵母细胞中，相同的过程将需要一整天——对于细胞来说太长了。能够正常运作。
为了弥补其成交量大的问题，卵母细胞已经进化出特殊的机制来产生所谓的“细胞质流”，帮助营养物质和其他分子更快地循环。 然而，这些资金流的来源尚不清楚。
创造全球流动的自组织系统
在这项新工作中，由计算生物学家迈克尔·雪莱领导的研究人员发现，他们可以创建一个自组织系统，其中材料在模型细胞周围流动的方式与在真实果蝇卵母细胞中观察到的方式非常相似。 “众所周知，这些流动对于生物体的正常发育是必要的，”纽约熨斗研究所计算生物学中心主任雪莱解释道。 “它们还被认为可以及时输送需要正确放置在卵母细胞中的成分，或许还可以混合这些成分。”
雪莱补充说，果蝇是现代生物学的模式生物之一，因此对其进行了非常深入的研究。 然而，类似的流动也出现在其他生物体的卵母细胞中，例如在进化方面更接近人类的小鼠。 “我们的简单（尽管计算困难）模型不仅解释了我们研究中观察到的各种流动，还解释了之前实验中观察到的流动，”他说。
对产生微龙成交量风的细胞内容物进行建模
该团队包括来自普林斯顿大学和西北大学的研究人员，他们使用由 Flatiron 开发的名为 SkellySim 的先进开源生物物理学软件包来创建模型。 SkellySim 对产生微涡流的细胞结构和过程进行建模。 其中包括细胞的微管，它们是排列在细胞内部的柔性细丝； 分子“马达”，它们是携带参与产生流量的“有效负载”的特殊蛋白质； 以及它们周围的细胞质。
通过模拟数千个微管响应分子马达施加的力时的运动，研究人员确定这些流动源自微管和细胞中自然存在的流动性之间的相互作用。 当微管在力的作用下弯曲时，它们会在周围的流动性中产生运动。 这种运动可以推动其他微管向同一方向弯曲。 当足够多的微管做到这一点时，流动性开始以涡流状流过整个卵母细胞。 这种微龙成交量风使得营养物质和其他分子在短短 20 分钟内穿过细胞，而不是仅通过扩散可能需要 20 小时
所需成分很少
“我们的模型表明，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，可以创建这种功能流程，”雪莱说。 “而你只需要一些成分——微管、细胞的几何形状和分子马达。”
他补充说，由于高性能计算方法在多个方面的进步，这些结果是可能的。 其中包括涉及复杂域中流体运动的斯托克斯方程的流体-结构相互作用，以及捕获浸没的长而薄的聚合物（微管）在这种流体中移动的流体动力学的模型。
雪莱表示，这个问题是一个“美丽”的问题：“它位于软材料和活性材料、实验和发育生物学的边界，”他告诉《物理世界》。 “它的理解带来了数学建模、流体物理学、软弹性材料和稳定性分析的工具。”
研究人员表示，他们的工作在《自然物理学》中有详细介绍，增进了我们对生物学中重要的发育流和其他活动驱动的自组织问题的理解。 他们很快将发表另一项关于为什么涡旋似乎在全球范围内吸引状态的研究，并正在准备一份关于卵细胞几何形状如何导致它们变得不对称的新出版物。 “最后，我们正在研究发育中的卵母细胞涉及‘环管’的其他流动性运输问题，”雪莱透露。
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