熨斗研究所的科学家进行了一项新的研究，发现了一些自然界最大的细胞中神秘的漩涡运动的起源。

卵细胞是地球上最大的单细胞。它们的大小（通常是一个典型细胞的几倍到数百倍）使它们能够生长成整个生物体，但这也使得在细胞周围运输营养物质和其他分子变得困难。科学家们早就知道，成熟的卵细胞（卵母细胞）会产生内部的、扭曲状的液体流动来运输营养物质，但这些流动是如何产生的一直是个谜。

现在，由熨斗（Flatiron）研究所的计算科学家领导的研究，以及普林斯顿大学和西北大学的合作者，已经揭示了这些看起来像微观龙卷风的流动，是由一些细胞成分的有机相互作用产生的。他们的研究成果发表在4月份的《自然物理学》杂志上，利用理论、先进的计算机建模和果蝇卵细胞实验，揭示了涡旋的机制。这些结果有助于科学家更好地理解卵细胞发育和细胞运输的基本问题。

“我们的发现代表了这个领域的一个巨大飞跃，”合著者、熨斗研究所计算生物学中心（CCB）主任迈克尔·谢利说。“我们能够应用我们已经开发多年的其他研究中的先进数值技术，这使我们能够比以往更好地了解这个问题。”

涡旋流在养分分布中的作用

在一个典型的人类细胞中，一个典型的蛋白质分子通过扩散，从细胞的一边蜿蜒到另一边只需要10到15秒；在一个小细菌细胞中，这种旅行可以在一秒钟内发生。但在这里所研究的果蝇卵细胞中，仅扩散就需要一整天的时间 —— 对细胞正常运作来说太长了。相反，这些卵细胞已经形成了“旋风流”，在卵母细胞内部旋转，快速分发蛋白质和营养物质，就像龙卷风可以卷起并移动物质，比风更快更远。

“受精后，卵母细胞将成为未来的动物，”该研究的合著者，普林斯顿大学和CCB的研究员萨扬坦·杜塔说。“如果你破坏了卵母细胞的流动，产生的胚胎就不会发育。”

研究人员使用了一种先进的开源生物物理学软件包，名为SkellySim，由Flatiron研究所的研究人员开发。通过SkellySim，他们模拟了产生龙卷风的细胞成分。这些包括微管（排列在细胞内部的柔韧细丝）和分子马达，这是一种特殊的蛋白质，作为细胞的主力，携带被称为有效载荷的特殊分子群。科学家们并不完全确定这些有效载荷是由什么构成的，但它们在产生气流中起着关键作用。

研究人员模拟了数千个微管对有效载荷分子马达施加的力的反应。通过在实验和模拟之间来回切换，研究人员能够理解涡旋流的结构，以及它们是如何从细胞流体和微管之间的相互作用中产生的。

“我们的理论工作，使我们能够放大并实际测量和可视化这些3D龙卷风，”该研究的合著者、CCB研究科学家雷扎·法哈迪法说。“我们看到这些微管是如何通过自我组织产生大规模流动的，而不需要任何外部提示。”

启示与未来研究

模型显示，在卵母细胞内部，微管在分子马达的作用下弯曲。当一个微管在这种载荷下弯曲时，它会导致周围的流体移动，这可以改变其他微管的方向。在一个足够大的弯曲微管群中，所有的微管都向同一个方向弯曲，流体流动变得“协同”。“随着微管集体弯曲，移动的有效载荷在整个卵上形成漩涡或扭曲状的流动，帮助分子在细胞周围分散。”有了龙卷风，分子可以在20分钟内穿过细胞，而不是20小时。

迈克尔·谢利说：“该模型表明，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，可以创建这种功能流程。你只需要一些成分 —— 只需要微管、细胞的几何形状和携带有效载荷的分子马达。”

这一新发现为更好地理解卵细胞发育奠定了基础。这一结果也有助于揭开其他细胞类型中物质运输的神秘面纱。

雷扎·法哈迪法表示：“现在我们知道了这些龙卷风是如何形成的，我们可以问更深层次的问题，比如它们是如何混合细胞内的分子的？这开启了理论与实验之间的新对话。”

研究团队表示，这项新工作为微管提供了一个新的视角。微管在几乎所有真核生物（如植物和动物）的各种细胞类型和细胞功能（如细胞分裂）中起着核心作用。这使得它们成为“细胞工具箱中非常重要的一部分”。为了更好地理解它们的机制，我们认为，我们的模型将有助于推动细胞生物物理学中许多其他真正有趣问题的发展。

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