用流體機械分析法為細胞器運動建模，一張圖即可呈現復雜生命活動

MIT研究團隊的研究成果大大簡化了定向藥物治療等相關領域的分析過程。

近日，MIT郭氏實驗室的研究團隊在美國科學院院刊上發文表示，已分析出關于細胞器在細胞質內移動時所需的阻力大小，并繪制了不同細胞器在不同濃度細胞質環境下運動的相位圖。

自然科學與工程

19世紀，面對變幻莫測的電磁場現象，麥克斯韋用一組方程組簡潔明了的描述了電場、磁場、電荷密度與電流密度之間的關系，也恰恰是從這組簡單的數學公式開始，發展出了現如今蓬勃的電子科技技術。顯然，這一自然現象的數學性描述揭示了現象的本質、促進了電磁感應現象的工程應用與發展。

對于“工程”這一概念，MIT的一位教授曾這樣定義：對科學的有目的地使用，也就是讓科學從高大上變得接地氣，但是要想做到這一步，就需要對現實世界建模，試圖用確定性關系去描述自然科學現象中的變化。

而這里，MIT的郭明教授率領的團隊所做的工作與麥克斯韋方程組有著異曲同工之妙。

從機械工程師的角度看生物細胞

細胞質(cytoplasm)是細胞質膜包圍的除核區外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質的總稱，含水量約為80%。它是由細胞質基質、內膜系統、細胞骨架和包含物組成，是生命活動的主要場所。

其中，細胞器就是分布于細胞質內、具有一定形態、在細胞生理活動中起重要作用的結構，它包括線粒體、葉綠體、質體，內質網、高爾基體等。

而機械工程師郭明看重的是這些大小不同的細胞器在細胞質中的運動。郭明表示，在細胞質中，細胞器本身大小的不同導致其行進方式非常不同，如，細胞的細胞核在細胞質中的運動感覺是在類似“蜂蜜”的液體中運動，而線粒體在細胞質中的運動則像是在“牙膏”中運動。

故而，不同大小的細胞器（物體）在細胞質（環境）中受到的阻力是不同的。

對此，郭明進一步表示：“我們現在做的工作主要就是從細胞器運動的角度，提供一種對活體細胞的描述方式，有了我們這個相位圖，只要你告訴我細胞器的大小和移動速度，我就可以告訴你從細胞器的角度來看，它當時所處的環境是怎樣的。”

生物細胞的機械建模研究

目前，研究細胞內材料運輸的大多數科學家將關注點主要都放在了細胞器運輸的驅動因素上，雖然他們也主動將細胞的能量分析轉化為機械工作，但郭明表示：“作為機械工程師，驅動力不是運輸過程中的唯一因素，環境中的阻力也同樣重要。就像現實環境下，在考慮機械運動的動力時，我們也考慮阻力。”

在實驗前，郭明首先假設細胞質對主要細胞器如線粒體等具有相似的阻力作用。為了檢驗假設的正確性，研究團隊對哺乳動物的活細胞進行了實驗。

首先，他們注入了大小為0.5到1.5微米的微小塑料珠，包裹了大多數主要的細胞器。然后，他們使用光學鑷子和高度聚焦的激光束物理移動微觀物體的技術，拖動每個珠子穿越細胞。其中，研究人員以恒定的速度將每個珠子向細胞邊緣拉動，并測量出將珠子拖動一定距離所需的力。

此處，他們將這里需要的力定義為細胞質給予的機械阻力。

關于力產生的原因，他們推斷主要來自兩個方面：多孔彈性和粘彈性。

多孔彈性取決于細胞質多快能將水從一個區域擴散出來。該團隊的研究人員表示，之所以認為存在彈性細胞質，是因為發現細胞器需要花費較長時間來將水擴散出，而細胞質的特性符合對該特性的定義。

粘彈性，是描述細胞骨架（又稱蛋白質網）的變化速度。細胞的細胞骨架作為一種支架，由數千種蛋白質組成，它們持續地組裝、拆卸和重新組裝。這種動態網絡可以像彈性固體和粘性流體一樣被移動的細胞器感受到。其中，細胞骨架自身重組速度越快，流體越流暢。據此研究人員猜測，細胞器在通過更流暢的、頻繁變化的細胞骨架時，會感覺到較少的阻力。

郭明及其研究團隊分析了實驗結果，發現細胞器（即實驗中微小塑料珠）的大小和速度與遇到的阻力類型有關。

一般情況下，由于多孔彈性的性質，所以塑料珠越多，阻力越大；但還需考慮，當一顆珠子的速度越快，受到的阻力也會越大，對此，郭明解釋道：“移動得越快，在細胞器看來，細胞骨架結構的重組速度就越慢，故而所受的阻力就越大。”

據此，研究人員根據實驗結果繪制了相位圖。

總結

關于研究成果的應用，它能直接將藥物治療轉化為簡單的數值計算和圖形參考。醫藥科學家可以直接參考此圖，計算出定制藥物的大小，實現更精準的定向治療。

未來，麻省理工學院生物工程、電氣工程與計算機科學與機械工程教授Alan Grodzinsky，以及加利福尼亞大學圣地亞哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai將加入研究工作。

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