纳米器件从内部追踪细胞，展示它们如何随着时间发展

时间：2022-04-12 11:25:06 来源：

在发育的这一点上，胚胎染色体（在中心显示为红色）正准备在第一次细胞切割过程中分离。可以看到设备的叉脚发出绿色荧光，外围有绿色荧光的肌动蛋白。

科学家们首次向细胞内部添加了微观跟踪设备，从而窥视了发育的开始过程。

科学家们首次将微量跟踪设备直接引入哺乳动物细胞内部，从而空前地窥视了控制发育开始的过程。这项关于单细胞胚胎的研究旨在改变我们对普遍支持细胞行为的机制的理解，并可能最终为衰老和疾病的出问题提供真知灼见。这项研究由生物学系的Tony Perry教授领导。巴斯大学的生物化学和生物化学研究涉及将基于硅的纳米器件与精子一起注射到小鼠卵细胞中。结果是一个健康的受精卵，里面装有跟踪装置。这些微小的装置有点像蜘蛛，上面有八个高度灵活的“腿”。腿部可以非常精确地测量施加在细胞内部的“拉力和推力”，从而显示出正在发挥作用的细胞力，并显示细胞内物质如何随时间重新排列。

五个小鼠胚胎，每个小鼠胚胎包含一个纳米装置，长度为22百万分之一米。影片从胚胎2个小时大开始，持续5个小时。每个胚胎的直径约为1亿米。

纳米设备非常薄-类似于电池的某些结构组件，尺寸为22纳米，使其比一磅硬币还要薄100,000倍。这意味着当单细胞胚胎开始航行成为两细胞胚胎时，它们可以灵活地记录细胞的细胞质运动。

佩里教授说：“这是从内部如此规模的任何细胞的物理学的第一印象。”“这是任何人第一次从内部看到细胞材料如何运动并自我组织。”

为什么要探究细胞的机械行为？

佩里教授解释说，细胞内的活动决定了细胞的功能。他说：“细胞内物质的行为可能与基因表达一样对细胞行为产生影响。”然而，直到现在，这种关于细胞材料的复杂舞蹈仍未得到充分研究。结果，科学家已经能够识别组成细胞的元素，但不能识别细胞内部整体的行为。

佩里教授说：“从生物学和胚胎学的研究中，我们了解了某些分子和细胞现象，并将这些信息整合到了一种简化的关于事物如何运作的叙述中，但是现在这种叙述正在改变。”叙述大部分是由生物学家撰写的，生物学家带来了生物学的问题和工具。缺少的是物理。物理学询问驱动细胞行为的力，并提供一种自上而下的方法来寻找答案。

“我们现在可以将电池视为一个整体，而不仅仅是构成它的螺母和螺栓。”

选择小鼠胚胎是因为它们的体积较大（直径为100微米或1亿分之一米，而普通细胞的直径仅为10微米[10百万分之一]）。）。这意味着在每个胚胎内部，都有用于跟踪设备的空间。

研究人员通过检查随着胚胎发育而通过显微镜拍摄的录像来进行测量。佩里教授说：“有时候，设备会受到比肌肉细胞内部更大的力而倾斜和扭曲。”“在其他时候，设备移动很少，表明电池内部已经变得平静。这些过程没有任何随机性-从您拥有一个单细胞胚胎的那一刻起，一切都以可预测的方式完成。物理程序已编程。”

结果增加了生物学的新认识，即活细胞内的物质不是静态的，而是随着细胞执行其功能或对环境作出反应而以预定的方式改变其性质。这项工作可能有一天会影响我们对细胞如何老化或停止其应有的工作的理解，这就是疾病的发生。

该研究于本周在《自然材料》上发表，涉及英国，西班牙和美国的生物学家，材料科学家和物理学家之间的跨学科合作。

参考：Marta Duch，NúriaTorras，Maki Asami，Toru Suzuki，MaríaIsabel Arjona，RodrigoGómez-Martínez，Matthew D. VerMilyea，Robert Castilla，JoséAntonio Plaza和“跟踪小鼠单细胞胚胎发育中的细胞内力和机械性能变化”安东尼·CF·佩里（Anthony CF Perry），2020年5月25日，《自然材料》。
10.1038 / s41563-020-0685-9

这项研究于本周在《自然材料》上发表，涉及佩里教授领导的巴斯和美国胚胎学家与西班牙巴塞罗那微电子研究所（IMB-CNM）的何塞·安东尼奥·广场教授领导的材料科学家和物理学家之间的跨学科合作。）在西班牙。

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