生物的生长在波浪模式上骑行

当几乎所有性繁殖物种的卵细胞受精时,它就会引发一系列波浪,使鸡蛋表面荡漾。这些波是由数十亿活化蛋白产生的

当几乎所有性繁殖物种的卵细胞受精时,它就会引发一系列波浪,使鸡蛋表面荡漾。

这些波是由数十亿个活化的蛋白质产生的,这些蛋白质像小洞穴的哨兵一样涌动通过鸡蛋的膜,发出鸡蛋的信号,以开始分裂,折​​叠和分裂,形成生物体的第一个蜂窝种子。

现在,麻省理工学院的科学家已经详细介绍了在海星卵表面产生的这些波的模式。这些鸡蛋很大,因此易于观察,科学家认为海星卵代表了许多其他动物物种的卵。

在每个鸡蛋中,团队都引入了一种蛋白质来模仿受精的发作,并记录了在响应其表面上荡漾的波的模式。他们观察到每个波都以螺旋模式出现,并且一次旋转蛋的表面旋转。有些螺旋出现自发出现并朝相反的方向旋转,而另一些螺旋旋转,而另一些螺旋立即消失。

研究人员意识到,这些旋流波的行为类似于其他看似无关的系统中产生的波,例如量子流体中的涡流,大气和海洋中的循环以及通过心脏和心脏和心脏传播的电信号脑。

物理学家Nikta Fakhri,Thomas D.和Virginia说:“对于鸡蛋中这些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在所有其他系统中都显示出来。” MIT的W. Cabot助理教授。 “这是这种非常普遍的波浪模式的体现。”

麻省理工学院数学副教授JörnDunkel补充说:“它打开了一个全新的视角。” “您可以借用人们开发的许多技术来研究其他系统中的类似模式,以了解有关生物学的知识。” Fakhri和Dunkel今天在《自然物理学》杂志上发表了他们的结果。他们的合着者是Tzer Han Tan,Jinghui Liu,Pearson Miller和Mit的Melis Tekant。

寻找中心

先前的研究表明,卵的施肥立即激活Rho-GTP,Rho-GTP是卵中的一种蛋白质,通常在细胞的细胞质中以无活性状态漂浮。一旦激活,数十亿个蛋白质从细胞质的泥土中升起,以附着在鸡蛋的膜上,沿着墙壁蜿蜒而行。

邓克尔解释说:“想象一下,如果您有一个非常肮脏的水族馆,一旦一条鱼靠近玻璃杯,就可以看到它。” “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,它们附着在膜上,您开始看到它们移动。”

法克里说,蛋白质在鸡蛋的膜上移动的波浪部分部分组织了细胞核心的细胞分裂。

Fakhri说:“鸡蛋是一个巨大的细胞,这些蛋白质必须共同努力以找到其中心,以便细胞知道在哪里分裂和折叠,很多次以形成生物体。” “如果没有这些蛋白质,就不会有细胞分裂。”

麻省理工学院的研究人员观察到与其他系统相似的新施肥鸡蛋的涟漪,从海洋和大气循环到量子流体。由研究人员提供。

在他们的研究中,团队重点关注Rho-GTP的活性形式以及在改变蛋白质浓度时在卵表面产生的波模式。对于他们的实验,他们通过微型入侵从海星的卵巢中获得了约10个卵。外科手术。他们引入了一种激素来刺激成熟,还注入了荧光标记,以附着在任何有效的Rho-GTP上,而响应起来。然后,他们通过共聚焦显微镜观察了每个卵,并观察数十亿个蛋白质激活并在鸡蛋表面上荡漾,以响应不同浓度的人造激素蛋白。

Fakhri说:“这样,我们创建了一种不同模式的万花筒,并研究了它们所产生的动态。”

飓风轨道

研究人员首先组装了每个鸡蛋的黑白视频,显示了在其表面上传播的明亮波。波浪中的A区域明亮,该特定区域中Rho-GTP的浓度越高。对于每个视频,他们将蛋白质从像素到像素的亮度或浓度进行比较,并使用这些比较来生成相同波模式的动画。

从他们的视频中,团队观察到海浪似乎是像飓风一样的微小螺旋形的。研究人员将每个波的起源追溯到每个螺旋的核心,它们称为“拓扑缺陷”。出于好奇,他们跟踪了这些缺陷本身的运动。他们进行了一些统计分析,以确定某些缺陷在鸡蛋表面上移动的速度,以及螺旋出现,碰撞和消失的频率,以及以什么配置。

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较大且看似无关的系统中的波浪行为相同。邓克尔说:“本质上与流体中的涡流,大脑中的波或系统相同。” “这是相同的普遍现象,只是缩小到一个单元的水平。”

研究人员对波浪与量子计算中的想法的相似性特别感兴趣。正如卵中的波模式传达了特定的信号一样,在这种情况下,量子计算是一个旨在以精确模式操纵原子的领域,以转换信息并执行计算。

Fakhri说:“也许现在我们可以从量子流体中借用想法,从生物细胞中建立微型计算机。” “我们期望有一些差异,但我们将尝试进一步探索[生物信号传导波]作为计算工具。”

这项研究得到了詹姆斯·麦克唐纳基金会,阿尔弗雷德·P·斯隆基金会和国家科学基金会的部分支持。

经过麻省理工学院新闻的许可转载。阅读原始文章。

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