Впервые ученые ввели миниатюрные устройства слежения непосредственно внутрь клеток млекопитающих, что дало беспрецедентный взгляд на процессы, управляющие началом развития.
Эта работа с одноклеточными эмбрионами призвана изменить наше понимание механизмов, лежащих в основе клеточного поведения в целом, и может в конечном итоге дать представление о том, что происходит не так при старении и болезнях.
Исследование под руководством профессора Тони Перри с факультета биологии и биохимии Университета Бата включало введение наноустройства на основе кремния вместе со спермой в яйцеклетку мыши. Результатом стала здоровая оплодотворенная яйцеклетка, содержащая устройство слежения.
Крошечные устройства немного напоминают пауков с восемью очень гибкими «лапками». Ноги измеряют «тянущие и толкающие» силы, действующие внутри клетки, с очень высокой степенью точности, тем самым раскрывая действие клеточных сил и показывая, как внутриклеточное вещество перестраивается с течением времени.
Наноустройства невероятно тонкие - они похожи на некоторые структурные компоненты клетки и имеют толщину 22 нанометра, что делает их примерно в 100 000 раз тоньше фунта стерлингов. Это означает, что у них есть возможность регистрировать движение цитоплазмы клетки по мере того, как одноклеточный эмбрион начинает свой путь к превращению в двухклеточный эмбрион.
«Это первый проблеск физики любой клетки такого масштаба изнутри», - сказал профессор Перри. «Впервые кто-то увидел изнутри, как клеточный материал перемещается и самоорганизуется».
ЗАЧЕМ ИССЛЕДОВАТЬ МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ КЛЕТКИ?
Активность внутри клетки определяет, как эта клетка функционирует, объясняет профессор Перри. «Поведение внутриклеточного вещества, вероятно, так же влияет на поведение клеток, как и экспрессия генов», - сказал он. Однако до сих пор этот сложный танец клеточного материала оставался в значительной степени неизученным. В результате ученые смогли идентифицировать элементы, из которых состоит клетка, но не то, как ведет себя внутренняя часть клетки в целом.
«Из исследований в области биологии и эмбриологии мы знаем об определенных молекулах и клеточных явлениях, и мы вплели эту информацию в редукционистское повествование о том, как все работает, но теперь это повествование меняется», - сказал профессор Перри. Повествование было написано в основном биологами, которые принесли с собой вопросы и инструменты биологии. Чего не хватало, так это физики. Физика спрашивает о силах, управляющих поведением клетки, и предлагает нисходящий подход к поиску ответа.
"Теперь мы можем смотреть на клетку в целом, а не только на болты и гайки, из которых она состоит."
Эмбрионы мышей были выбраны для исследования из-за их относительно большого размера (их диаметр составляет 100 микрон, или 100-миллионных долей метра, по сравнению с обычной клеткой, которая составляет всего 10 микрон [10-миллионных долей метра]. метр] в диаметре). Это означало, что внутри каждого эмбриона было место для устройства слежения.
Исследователи сделали свои измерения, изучив видеозаписи, снятые под микроскопом по мере развития эмбриона. «Иногда устройства раскачивались и скручивались силами, которые были даже больше, чем силы внутри мышечных клеток», - сказал профессор Перри. «В других случаях устройства двигались очень мало, показывая, что внутренняя часть клетки стала спокойной. В этих процессах не было ничего случайного - с момента появления одноклеточного эмбриона все происходит предсказуемым образом. Физика запрограммирована.."
Результаты дополняют формирующуюся картину биологии, которая предполагает, что материал внутри живой клетки не является статичным, а вместо этого меняет свои свойства предопределенным образом, когда клетка выполняет свою функцию или реагирует на окружающую среду. Эта работа может однажды повлиять на наше понимание того, как клетки стареют или перестают работать должным образом, что и происходит при болезни.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Materials, включает междисциплинарное партнерство биологов, материаловедов и физиков из Великобритании, Испании и США.