在可能指导药物设计的研究中，研究人员发现细胞器遇到不同程度的抵抗

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麻省理工学院

概要：

在一项可能指导药物设计的研究中，研究人员发现细胞器通过细胞的细胞质而遇到不同程度的抵抗力，这取决于其大小和速度。

在显微镜下，细胞的细胞质可以类似于纽约时代广场的一个微小的水下版本：数千个蛋白质通过细胞质的水质环境聚集在一起，像细胞骨架闪电一样分裂。

细胞器如线粒体和溶酶体必须穿过这个拥挤的，不断变化的细胞质空间，将物质运送到细胞的各个部位。

现在麻省理工学院的工程师发现，这些细胞器和其他细胞内成分可能会遇到周围的细胞质，因为它们行进时的环境非常不同。例如，细胞的细胞核可以将细胞质“感觉”为流体，类似蜂蜜的物质，而线粒体可能会更像牙膏。

由美国麻省理工学院机械工程系英国人和亚历克斯·阿尔布洛夫职业发展助理教授明郭率队的小组发现细胞器在细胞质中具有一定的抵抗力，这取决于细胞器的大小和移动速度一个特别地单元格，这些特征决定了它如何容易地推动细胞质周围的水并且通过其不断变化的细胞骨架蛋白质结构网。

某些细胞器可能需要更加努力才能通过细胞质，因此可能会感受到更多的抵抗力。研究人员发现，任何主要细胞器可能感觉到的阻力从粘性流体到弹性橡胶状固体的阻力。

郭和他的同事已经制定了一个阶段图，从细胞器的角度描述了细胞器尺寸和速度的细胞质将类似的物质的类型。

郭先生说：“我们的主要目标是为活体细胞提供最基本的了解。 “有了这个阶段图，只要你告诉我细胞器移动的大小和速度，我可以告诉你它看到的机械环境是什么。”

本周在美国国家科学院院刊上发表的结果可能有助于指导药物设计。例如，通过团队的相位图，科学家们可以定制药物的大小，使其能够以一定的容易程度在细胞内行进。

郭先生说：“直径为100纳米的药物会比500纳米宽的物体感受到非常不同的阻力。 “这可以是了解药物如何在细胞内传输和运输的指南。”

该研究的主要作者是麻省理工学院前访问学者胡连良，今年秋天将加入郭氏实验室作为研究生。其他合着者包括郭龙龙，郭氏实验室博士后;麻省理工学院生物工程，电气工程与计算机科学与机械工程教授Alan Grodzinsky，以及加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai。

拖累是什么

研究细胞内材料运输的大多数科学家都侧重于该运输的驱动因素，即分子马达，一个生物制剂家族，主动将细胞的能量转化为机械工作，以将货物移动通过细胞。

“但作为机械工程师，我们认为驱动力不是运输过程的唯一部分，而周围材料的抵抗力也同样重要，”郭说。 “例如，不仅仅是你自己的精力决定了人们如何移动 - 人群本身的机械阻力也会影响你的运动。”

在活细胞的情况下，郭想知道周围的细胞质是否会对主要细胞器如线粒体和溶酶体的移动具有相似的拥挤作用。

为了测试他的假设，他和他的同事们对活细胞的哺乳动物细胞进行了实验，他们注入了大小为0.5到1.5微米的微小的塑料珠，覆盖了大多数主要的细胞器。然后，他们使用光学镊子将每个珠子跨越细胞，使用高度聚焦的激光束物理移动微观物体的技术。

研究人员以恒定的速度将每个珠子朝向细胞边缘捕获并拉出，并测量将珠子拖动一定距离所需的力。他们认为力作为周围细胞质的机械阻力。

然后，他们认为细胞质的机械阻力来自两个主要来源：多弹性和粘弹性。孔隙弹性起源于多长时间的细胞质将水从一个区域扩散出来。该组织认为，更多的弹性细胞质是，诸如细胞器的物体需要做的更多的努力来将水推出。

粘弹性在细胞质的上下文中，其细胞骨架或蛋白质网络的变化速度有多快。细胞的细胞骨架作为一种支架，由数千种蛋白质组成，不断的组装，拆卸和重新组装。这种动态网络可以像弹性固体和粘性流体一样感觉到。细胞骨架自身重排的速度越快，流体越流畅。研究人员推断，细胞器在通过更流畅的，频繁变化的细胞骨架移动时，会感觉到较少的抵抗力。

这一切都是关于透视

郭和他的同事分析了他们的实验结果，发现珠子的大小和速度与其在细胞上拖动时遇到的阻力类型有关。一般来说，珠子越多，满足多孔弹性阻力越大，因为具有较大表面积的大珠子必须推压更多的水以使其自身移动。

另一方面，一颗珠子被拖曳得越快，它就像一个固体般的抵抗力所遇到的越多。正如郭解释说，“你移动得越快，你将会看到更多永久的[细胞骨架]结构，并感受到抵抗力。”

研究人员根据实验结果绘制了相图。然后，他们通过科学文献研究了由其他人制作的活细胞中实际细胞器的速度和尺寸测量。他们将这些测量结果绘制在图表上，发现鉴于其大小和速度，这些细胞器应经历一定程度的细胞质内的抗性。

“如果你问一个细胞核，他们会告诉你细胞质就像蜂蜜一样，因为它们真的很大而缓慢，而且它们不会感受到细胞骨架结构 - 它们只能感受到粘性分解的蛋白质溶液，并具有非常小的阻力， “郭说。 “但是线粒体会说这就像牙膏，因为它们越来越小，有时被这些不断变化的结构所阻挡，一个更小更快的溶酶体会告诉你细胞质实际上是Jell-O，因为它们是移动得如此之快，他们不断地弹起这些结构，抵抗像橡胶一样抗拒，所以他们的意见受到自身规模和速度的限制。

郭希望科学家将使用该组的相图来表征其他细胞成分，了解它们如何看到细胞质周围环境。

“人们可以使用其他参数来找出不同细胞器应该属于哪一部分相图，”郭说。 “这会告诉你，他们会感觉到什么样的不同的材料。”