Nature子刊 | 耶鲁大学研究团队揭示细胞能量分配与细胞行为的关系

学术   2024-12-10 22:18   海南  

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细胞利用能量驱动细胞内部非平衡过程,这对于细胞分裂、伤口愈合以及免疫系统应对癌症等疾病至关重要。然而,能量在细胞内多个非平衡过程中的分配方式及其与细胞行为学的关系仍然是一个未解之谜。

耶鲁大学系统生物学研究所的科学家们发现了支撑我们细胞能量使用的热力学原理。这一突破性发现“Energy partitioning in the cell cortex” 作为 2024 年 11 月的期刊封面发表在 Nature Physics 上,来自生物医学工程与物理学副教授Michael Murrell的实验室。

在这里,作者测量了细胞皮层的化学和机械子系统在各种模式下的熵产率,因为系统被进一步从平衡状态驱动。通过操纵Rho GTPase途径来做到这一点,Rho GTPase途径控制皮质肌动蛋白丝和肌球蛋白ii。在较低水平的gtpase激活蛋白表达时,产生脉冲或波动的Rho和肌动蛋白丝波,能量在两个子系统之间按比例分配,并受到Onsager互易的约束。在互易范围内,熵产率在波动波中最大。当大脑皮层被驱动成迷宫状或螺旋状的行波时,互惠性被打破,标志着能量分配的差异越来越大,化学和机械活动的分离。该研究进一步证明了能量分配和互易性是由化学反应和机械松弛之间的竞争时间尺度决定的。

在细胞分裂之前,细胞的皮质层 (cell cortex)内会生成两种不同形式的蛋白质“波形”:一种是像心跳一样的脉动振荡,另一种则表现出螺旋形波动(见视频)。文章的第一作者、博士后陈晟(Sheng Chen)通过实验测量,数值模拟与理论研究,分析了细胞内能量在皮质层内形成的不同波形模式中的耗散,揭示了不同波形中能量在机械波和化学波的分配规律。

令人惊讶的是,研究人员揭示了一个细胞内有组织的能量系统,这个系统依赖于与热力学平衡的距离。他们发现,细胞分裂前会呈现出一种最佳的优势状态——在两种波形之间找到一个“甜蜜点”,从而产生最大、最稳定的能量来推动细胞的生命活动。这项关于哺乳动物细胞最大耗散状态的研究成果,革新了生物学家、化学家和物理学家对伊利亚·普里戈金博士(Dr. Ilya Prigogine)最小熵理论的认识。普里戈金博士因该理论获得了1977年诺贝尔化学奖。

RGA-3/4表达在细胞皮层中驱动不同的机械化学模式(图源自 Nature Physics )

发现细胞内部能量排列的原理,有助于我们理解支配细胞能量动力学的物理学,并且揭示了其在细胞基本行为中的关键作用。研究者计划利用数学模型和机器学习,进一步量化不同波形模式与细胞特定功能(特别是与疾病扩散相关功能)之间的关系。

耶鲁大学的Michael Murrell与威斯康星大学麦迪逊分校的William Bementw为这项研究的通讯作者。文章的第一作者Sheng Chen (陈晟) 本科毕业于中国科学技术大学近代力学系,于密歇根州立大学Tong Gao组取得博士学位。


参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02626-6

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