生物的生长依赖于波浪的模式

当几乎所有有性繁殖物种的卵细胞受精时,它会在卵细胞表面激起一系列的涟漪。这些波是由数十亿被激活的蛋白质产生的,这些蛋白质像一群群钻洞的小哨兵一样穿过卵膜,向卵发出信号,让它开始分裂、折叠、再分裂,形成生物体的第一个细胞种子。

现在,麻省理工学院的科学家们已经对海星卵表面产生的这些波的模式进行了详细的研究。这些蛋很大,因此很容易观察到,科学家认为海星蛋是许多其他动物蛋的代表。

在每个卵细胞中,研究小组引入了一种蛋白质来模拟受精的开始,并记录了相应的波在卵细胞表面的波动模式。他们观察到,每个波都以螺旋的形式出现,多个螺旋一次在鸡蛋表面旋转。一些螺旋自动出现并向相反的方向旋转,而另一些则迎头相撞并立即消失。

研究人员意识到,这些涡旋波的行为与在其他看似无关的系统中产生的波相似,比如量子流体中的涡旋,大气和海洋中的环流,以及在心脏和大脑中传播的电信号。

“人们对鸡蛋表面波的动力学知之甚少,在我们开始分析和建模这些波之后,我们发现这些相同的模式出现在所有其他的系统中,”麻省理工学院的物理学家Nikta Fakhri说,他是Thomas D.和Virginia W. Cabot的助理教授。“这是这种非常普遍的波动模式的一种表现。”

“它开启了一个全新的视角,”麻省理工学院(MIT)数学副教授约恩•邓克尔(Jorn Dunkel)补充道。“你可以借用人们开发的很多技术来研究其他系统中的相似模式,来学习一些生物学知识。”

法赫里和邓克尔今天在《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。他们的合著者是Tzer Han Tan、Jinghui Liu、Pearson Miller和MIT的Melis Tekant。

找到一个中心

先前的研究表明,卵子受精会立即激活Rho-GTP蛋白,这是卵子内的一种蛋白质,通常在细胞的细胞质内处于不活跃状态。一旦被激活,数以亿计的蛋白质就会从细胞质的泥沼中钻出来,附着在卵膜上,沿着细胞壁蜿蜒前进。

邓克尔解释说:“想象一下,如果你有一个非常脏的鱼缸,一条鱼游到靠近玻璃的地方,你就能看到它。”“以类似的方式,蛋白质在细胞内部的某个地方,当它们被激活时,它们附着在细胞膜上,你开始看到它们移动。”

法赫里说,穿过卵膜的蛋白质波,在某种程度上是为了组织围绕着细胞核心的细胞分裂。

法赫里说:“鸡蛋是一个巨大的细胞,这些蛋白质必须协同工作才能找到它的中心,这样细胞就知道在哪里分裂和折叠,多次折叠,形成一个有机体。”“没有这些蛋白质的波动,就不会有细胞分裂。”

麻省理工学院的研究人员观察到,从海洋和大气环流到量子流体,新受精卵上的波纹与其他系统相似。由研究人员提供。

在他们的研究中,研究小组重点关注了Rho-GTP的活性形式,以及当它们改变蛋白质浓度时,鸡蛋表面产生的波形。

在他们的实验中,他们通过微创外科手术从海星的卵巢中获得了大约10个卵子。他们引入了一种激素来刺激成熟,同时也注射了荧光标记物来连接到任何一种反应中上升的活性Rho-GTP。然后,他们通过共聚焦显微镜观察每个鸡蛋,并观察到在不同浓度的人工激素蛋白的作用下,数以亿计的蛋白质被激活并在鸡蛋表面产生涟漪。

法赫里说:“通过这种方式,我们创造了一个不同模式的万花筒,并观察它们产生的动态。”

飓风追踪

研究人员首先收集了每个鸡蛋的黑白视频,展示了鸡蛋表面的明亮光波。波中一个区域越亮,该区域的Rho-GTP浓度就越高。对于每个视频,他们比较像素之间的亮度或蛋白质浓度,并使用这些比较来生成相同波形的动画。

从他们的视频中,研究小组观察到波浪似乎以微小的、飓风般的螺旋状向外振荡。研究人员将每个波的起源追溯到每个螺旋的核心,他们称之为“拓扑缺陷”。出于好奇,他们跟踪了这些缺陷本身的运动。他们做了一些统计分析,以确定某些缺陷在鸡蛋表面移动的速度,以及这些螺旋状物体出现、碰撞和消失的频率,以及它们在何种形态下出现、碰撞和消失。

令人惊讶的是,他们发现他们的统计结果,以及鸡蛋表面的波的行为,与其他更大的和看起来不相关的系统中的波的行为是一样的。

“当你观察这些缺陷的统计数据时,它本质上与流体中的漩涡、大脑中的波或更大范围内的系统是一样的,”邓克尔说。“这是同样的普遍现象,只是缩小到细胞的水平。”

研究人员对波与量子计算的相似之处特别感兴趣。就像鸡蛋里的波的模式传递特定的信号,在细胞分裂的情况下,量子计算是一个领域,旨在以精确的模式操纵流体中的原子,以便转换信息和执行计算。

Fakhri说:“也许现在我们可以从量子流体中获得灵感,用生物细胞制造微型计算机。”“我们预计会有一些差异,但我们将进一步探索(生物信号波)作为一种计算工具。”

这项研究得到了詹姆斯S.麦克唐奈基金会(James S. McDonnell Foundation)、阿尔弗雷德P.斯隆基金会(Alfred P. Sloan Foundation)和国家科学基金会(National Science Foundation)的部分支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/growth-organism-waves-0323

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