Биология на мельчайшем уровне моторных белков, ДНК и микротрубочек берет пример с физики. Рассмотрим, например, митозную стадию клеточного деления: два идентичных набора ДНК из родительской клетки должны быть идеально разделены и разделены на две новые дочерние клетки. Это физическое действие, и клеточная структура, которая его выполняет, митотическое веретено, представляет собой машину, использующую механические силы - толчок, притяжение и сопротивление - для выполнения задачи.
Как и большинство механизмов, митотическое веретено может дать сбой, и когда это произойдет, ДНК может быть повреждена или разделена неравномерно, ошибки, связанные с неконтролируемым делением раковых клеток. Но хотя многое известно о биологических компонентах, образующих митотическое веретено, такие исследователи, как Скотт Форт, только начинают изучать физические взаимодействия между этими компонентами.
«Митотическое веретено - это сложная, идеально сбалансированная машина», - сказал Форт, биолог-количественный биолог, который недавно поступил на работу в Политехнический институт Ренсселера в качестве доцента биологических наук и члена Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований. «У нас есть список деталей для большей части используемого оборудования, но мы не понимаем, как все это сочетается друг с другом, чтобы обеспечить бесперебойную работу. Моя работа заключается в том, чтобы понять, что это за силы?»
В своем исследовании Форт использует технику оптического захвата для количественной оценки сил, действующих на компоненты клеточных структур, таких как митотическое веретено.
Многие ключевые клеточные процессы зависят от физического взаимодействия между биологическими компонентами для выполнения функций.«Список деталей» в этих процессах аналогичен: микротрубочки, полужесткие белковые трубочки, могут служить внутри клетки каркасами, дорогами и строительным материалом для механизмов; некоторые белки служат застежками, связывая и высвобождая другие материалы; а моторные белки используют химическую энергию, чтобы толкать и тянуть материалы вдоль микротрубочек или перемещать сами микротрубочки.
Для формирования митотического веретена две органеллы, называемые центросомами, перемещаются по разные стороны от двух идентичных наборов хромосом, сосредоточенных вблизи центра клетки. От каждой из центросом собирается густая сеть микротрубочек, идущих к массе хромосом и вокруг нее. Некоторые из микротрубочек соединяются с хромосомами, тогда как другие соединяют две центросомы, образуя клетку вокруг хромосом. В идеале микротрубочки из каждой центросомы соединяются исключительно с одной из каждой хромосомы в наборе. Затем микротрубочки с помощью белков и моторных белков начинают укорачиваться и двигаться, подтягивая хромосомы к центросомам, пока два набора не разделятся.
Чтобы узнать больше о механике, Форт исследует силы, действующие на части веретена, используя простые «строительные блоки», состоящие из одного типа белка и микротрубочек. Например, белок PRC1 связывается с микротрубочками, создавая пучки микротрубочек и поперечные связи между ними. PRC1 работает вместе с моторным белком, который скользит по микротрубочкам, а PRC1 замедляет движение этого скольжения за счет сопротивления. Если PRC1 сбит со своего места, хромосомы будут расходиться друг от друга слишком быстро, нарушая сложную синхронизацию митоза.
"В рамках этой простой системы у нас есть как толкающая сила, так и сила сопротивления, и вопрос в том, как складываются эти силы, чтобы двигать микротрубочки с нужной скоростью?" - сказал Форт. «Это то, что мы можем измерить в моей лаборатории».
Для этого Форт использует взаимосвязь между шариком полистирола и лазерным светом. Когда луч света фокусируется на шарике полистирола, шарик поляризуется и притягивается к полю светового луча. Любая попытка сдвинуть бусину с места изгибает свет, и свет, в свою очередь, отталкивает бусину обратно. Изменения направления света можно измерить с помощью фотодетектора и преобразовать в меру физической силы. Прикрепляя клеточные структуры - такие как PRC1 и сборка микротрубочек - к шарику полистирола и позволяя структуре функционировать, Форт может измерять физическую силу, создаваемую структурой.
«Идея состоит в том, чтобы построить ключевые элементы шпинделя и измерить эти силы», - сказал Форт. «Можем ли мы наблюдать и видеть, что происходит с данным набором белков, и может ли понимание механики помочь нам понять, как функционирует клетка? В этом и заключается цель».
В Rensselaer это исследование соответствует видению Нового политехнического института, развивающейся парадигмы высшего образования, которая признает, что глобальные проблемы и возможности настолько сложны, что с ними не может справиться даже самый талантливый человек, работающий в одиночку. Rensselaer служит перекрестком для сотрудничества - работая с партнерами из разных дисциплин, секторов и географических регионов, для решения глобальных проблем - и решает некоторые из самых насущных мировых технологических проблем, от энергетической безопасности и устойчивого развития до биотехнологии и здоровья человека. Новый политехнический институт преображает глобальное влияние исследований, инновационную педагогику и жизнь студентов Rensselaer.