Flotten von mikroskopischen Maschinen schuften in Ihren Zellen, die Durchführung von kritischen biologischen Aufgaben und halten Sie lebendig. Durch die Kombination von Theorie und experiment, die Forscher haben entdeckt, die überraschender Weise eine dieser Maschinen, namens der Spindel, vermeidet geschwindigkeitseinbussen: Staus.
Die Spindel teilt, die Chromosomen in der Hälfte während der Zellteilung, so dass beide Nachkommen Zellen enthalten den vollständigen Satz des genetischen Materials. Die Spindel besteht aus Zehntausenden von steifen, hohlen Röhren, genannt Mikrotubuli verbunden durch biologische Motoren.
Mikrotubuli werden nur dann vorangetrieben, wenn eine Verbindung zu einem benachbarten wies in die entgegengesetzte Richtung. Frühere Beobachtungen zeigten aber, Mikrotubuli Kreuzfahrt mit voller Geschwindigkeit, auch wenn Sie verlinkt nur auf die Nachbarn blicken in die gleiche Richtung. In einem neuen Papier veröffentlicht 2. September in der Zeitschrift Nature Physics, die Forscher geben eine Antwort auf dieses Rätsel. Die Mikrotubuli sind so mit einander verschränkt, dass selbst diejenigen, die nicht aktiv gestartet vorwärts kommen schleppte mit voller Geschwindigkeit durch die Menge.
„Es ist wie ein New York City Zebrastreifen“, sagt Studie führen Autor Sebastian Fürthauer, Wissenschaftler an der Flatiron-Institut Zentrum für Computational Biology (CCB) in New York City. „Die Menschen gehen verschiedene Wege werden alle zusammen gemischt, aber jeder ist in der Lage sich zu bewegen mit voller Geschwindigkeit und reibungslos Vergangenheit eines anderen.“
Die Ergebnisse werden den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, die zelluläre Maschinerie, die trennt von Chromosomen während der Zellteilung und warum dieser Vorgang manchmal schief geht. Wenn eine Spindel macht seinen job falsch, es kann zu Fehlern wie z.B. fehlende oder zusätzliche Chromosomen, die führen kann zu Komplikationen wie Unfruchtbarkeit und Krebs, Fürthauer sagt.
Fürthauer und CCB-Direktor Michael Shelley, beide angewandte Mathematiker, arbeitete an dem Projekt neben einem interdisziplinären team von experimentellen Biologen und Physiker von der Harvard University, des Massachusetts Institute of Technology, Indiana University und der University of California, Santa Barbara.
Eines der grundlegenden Ziele der Biophysik ist die Verknüpfung der Aktivitäten von kleinen Komponenten, um die großräumige Dynamik von Zellen und Organismen. Die Eigenschaften der Hauptspindel Komponenten sind relativ gut untersucht. Mikrotubuli sind lange, steife Polymere Stangen, ähnlich Strohhalmen, die jeweils mit einem ‚minus‘ – Ende und ein ‚plus‘ – Ende. Molekulare Motoren Riegel auf und bewegen sich entlang der Mikrotubuli mit einem paar von molekularen ‚Füßen.‘ Kinesin-Motoren, zum Beispiel, haben zwei paar Füße, eine an jedem Ende. Kinesin-Moleküle anlagern können, um zwei verschiedene Mikrotubuli, die mit jedem paar von Füßen marschieren von der minus-Ende an den plus-enden der einzelnen Mikrotubuli.
Wenn die plus-und minus-enden der beiden Mikrotubuli ausgerichtet sind, die zwei paar Füße in dieselbe Richtung gehen, und die Mikrotubuli bewegen sich nicht relativ zueinander. Wenn die Mikrotubuli sind anti-ausgerichtet, die Füße in entgegengesetzte Richtungen bewegt, wodurch die Mikrotubuli, um aneinander vorbei gleiten. Die kollektiven Bewegungen aller Mikrotubuli bestimmt, die Spindel Wachstum und form.
Frühere Studien, die hauptsächlich auf Situationen, in denen die Motoren waren knapp. Wissenschaftler hatten angenommen, dass dies war eine genaue Darstellung von dem, was passiert in eigentliche Zellen. In einem solchen Szenario, eine Mikrotubuli-Bewegung hängt von seinen Nachbarn Ausrichtung. Mikrotubuli ausgerichtet, mit Ihren Nachbarn bleiben würden, setzen werden, während diejenigen, die trotzte die Menge würde den zoom nach vorn.
Real-Spindeln, die jedoch nicht zeigen das erwartete Verhalten. Mikrotubuli umgeben von Nachbarn, die vor den gleichen Weg, immer noch bewegen, bei voller Geschwindigkeit. Also, was treibt Sie voran?
Fürthauer und Kollegen untersucht, wie sich die Mikrotubuli gemeinsam bewegen, wenn das system waren voll gepackt mit vielen Motoren, wodurch viele verbindungen zwischen den Mikrotubuli. Sie entwickelt eine mathematische Theorie, wie mechanische Spannungen entwickeln, die in der kollektiven als Mikrotubuli geschoben und gezogen, gegen jede andere von den zahlreichen Motoren.
Ihre Theorie sagt Voraus, dass die Mikrotubuli line-up, mit jedem Mikrotubuli mit Blick auf eine der zwei entgegengesetzten Richtungen. Wo Mikrotubuli entgegengesetzter Orientierung vermischen sich, Sie werden vorangetrieben haben, wie erwartet. Mikrotubuli anderswo, die Theorie besagt, sind so sehr mit Ihren Nachbarn, dass auch Sie zog für die Fahrt entlang. Jede Mikrotubuli, daher bewegt sich mit genau der Geschwindigkeit der Fuß-Motoren, unabhängig von seinem Platz in der Menge.
Experimente, die die Forscher anhand von Mikrotubuli und reichlich kinesin-Motoren abgestimmt, diese Vorhersagen. Darüber hinaus wird die Theorie und die Experimente abgestimmt real-world Spindeln: In die Eier der afrikanische krallte Frösche, Mikrotubuli in Spindeln bewegen sich mit etwa der gleichen Geschwindigkeit, die Motoren anschließen, Sie sind bekannt, um zu gehen.
Der Frosch Spindel-Verhalten ist „sehr suggestiv, dass die tatsächliche Biologie lebt in der Regelung sehen wir in unseren Experimenten,“ Fürthauer sagt. „Mit diesem neuen Verständnis können wir jetzt Fragen: Wie bauen wir eine Spindel? Können wir rekonstruieren das komplexe biologische Maschine in einer computer-simulation, oder sogar im Reagenzglas?“ Er und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass Sie immer näher.