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医学物理学

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光学陷阱显示分子张力

17 Oct 2017 Aaron Blanchard. 
左右:Wiliam Weis和Weis Lab的Nick Bax(由Alex Dunn合作); Alex Dunn,Dunn Lab的Derek Huang和Craig Backley。
左右:Wiliam Weis和Weis Lab的Nick Bax(由Alex Dunn合作); Alex Dunn,Dunn Lab的Derek Huang和Craig Backley。

细胞必须感测,响应和发挥机械信号以导航其身体环境。单分子操纵技术的最新进展现在允许研究人员研究机械信号如何与个体生物分子相互作用。在美国斯坦福大学的跨学科团队现在已经利用了这些技术来揭示一个关键的生物分子如何以方向依赖的方式在机械张力下加强。他们的发现报告 科学,对我们对细胞运动的理解有重要意义(科学DOI:10.1126 / Science.Aan2556)。

根据 威廉威斯是Stanford的结构生物学教授,不能低估这些机械现象的重要性。 “机械信号是无数关键生物过程中的关键,包括胚胎发育,免疫力和癌症转移,” he explains.

细胞的两种组分在该领域中受到显着的关注:细胞骨架和粘合复合物。“细胞骨架使细胞为其结构并产生运动所需的机械力,而在细胞上发现粘合复合物’S外表面和锚细胞到周围组织,”继续威斯。这些配合物还包含机械传感器–测量附近物体的机械性能的生物分子机。

您可以使用轴爬上冰攀爬的冰登山者爬过冰登山者。登山人’背部和手臂肌肉就像细胞骨架,产生拉她所需的力。随着登山者的上升,她使用她的斧头来检查冰的强度并拉动自己,类似于细胞使用粘合复合物用于机械沉重和粘合的方式。

然而,这个过程中的一个关键因素是登山者’S手,将她的力产生肌肉链接到斧头。类似地,该电池具有特殊的生物分子机械,将力产生的细胞骨架与粘合复合物联系起来。

vinculin是一种蛋白质。虽然有几种不同类型的粘合络合物含有众多不同的生物分子机械,但Vinculin是在所有这些中发挥着作用的众所周知的生物分子之一。最近的研究表明Vinculin’S作为单尺寸适合所有连接器的角色对于诸如单向运动之类的多个蜂窝任务至关重要。

该团队试图研究机械力对个体vinculin分子的影响。“使用称为光学捕集的单分子技术,我们将单个细胞骨架纤维连接到单个vinculin分子中,然后以恒定的力拉动两个,” explains Alex Dunn.是化学工程教授。“重要的是,光学阱的高精度使我们能够以1至30微型螺旋之间的力拖动,这与在活细胞中单一生物分子施加的力相当。”

然后,跨学科团队测量了Vinculin分子保持在纤维上的时间长度。令人惊讶的是,球队发现Vinculin可以在他们拖延力量更强的力量时保持更长时间。结果是违反直觉的;如果我们的冰登山者在她的一只手中集中了她所有的体重,那么她的前臂会厌倦和她’ll能够挂断时间较少。

该团队透露,Vinculin形成了什么’s known as a “catch bond”用细胞骨架纤维。事实证明,许多生物分子形成捕获键,我们现在知道捕获键是说明细胞如何响应机械信号的关键因素。

随着团队分析数据,他们开始注意到捕获键的行为依赖于细胞骨架纤维的取向。该发现表明Vinculin与细胞骨架相互作用,具体取决于纤维是否推出细胞’S边缘或拉进电池’s centre.

为了说明这一发现如何有助于解释细胞行为,该团队在静止的vinculin分子上随机漂移的细胞骨架纤维的血液模拟。该团队发现模拟纤维由于在向后转化时由于Vinculin结合而达到了更高的阻力,这将导致聚合细胞骨架的净运动朝向细胞更快’S外缘。这些发现可以帮助解释细胞如何在表面上单向爬行。

“本文真的指出了它’重要的是考虑如何组织细胞骨架。你有一个粘附分子,Vinculin,不仅感应力,还要感测其当地的细胞骨架架构,”联合作者和生物物理学生德里克黄。该团队目前正在深入挖掘他们的研究结果,以了解能够实现定向依赖性捕获行为的生物分子机械。它们还在寻找其他重要粘合分子中的这种行为。

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