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La teoria di formazione della gocciolina e della bolla ispira una struttura per l'organizzazione delle celle viventi

Il per la matematica esaltante che descrive come le bolle si formano in un vetro di Champagne ha ispirato una struttura per l'organizzazione delle celle viventi.

Uno studio ha pubblicato il 22 settembre in dettaglio della natura come una formazione governante stabilita della bolla e della gocciolina di teoria di fisica piombo ad una nuova comprensione dei principi che organizzano il contenuto delle celle viventi. I segni di lavoro una variazione sismica nella capacità dei ricercatori sia di capire che gestire i materiali molli complessi all'interno delle nostre celle.

Questo approccio è comune nella scienza dei materiali, ma la abbiamo adattata per fare qualche cosa di senza precedenti in celle,„

Clifford Brangwynne, ricercatore principale ed il professor giugno di K. Wu '92 nell'assistenza tecnica e nell'iniziativa di bioingegneria di Direttore Princeton, Princeton University

L'attività in corso segue la scoperta di Brangwynne di più di una decade fa quella proteine cellulari organizza nelle strutture liquide dentro la cella. Quella comprensione ha provocato un nuovo campo di studio che esamina come le parti delle celle si formano tanto come le gocce del petrolio che si fondono in acqua. Gli scienziati hanno imbarazzato da allora sopra i dettagli esatti di come quelle strutture montano. Ma è una cosa dura per misurare la dinamica squishy di diverse molecole dentro una cella, dove misterioso, i trattamenti di sovrapposizione intorbidano caotico poichè il minuto struttura il modulo e dissolvono mille volte al secondo.

Il ricercatore postdottorale Shunsuke Shimobayashi aveva studiato la fisica morbida della materia all'università di Kyoto e si era domandato se il suo sfondo che lavora ai composti organici chiamati lipidi potrebbe illuminare qualche cosa interessante circa il problema. Se le molecole di proteina condensano dai loro dintorni il petrolio di modo separa dall'acqua, forse il per la matematica che ha descritto i primi punti in quel trattamento, chiamato nucleazione, risulterebbe utile in proteine pure.

Shimobayashi si è girato verso la teoria classica di nucleazione, una colonna di scienza dei materiali. Le sue equazioni azionato alcune delle trasformazioni tecnologiche più profonde dello XX secolo, dai modelli climatici che le prime hanno rivelato il riscaldamento globale ai fertilizzanti che miliardi aiutati dell'ascensore di gente da inedia.

Era egualmente acutamente informato di una distinzione critica: quelle equazioni descrivono i sistemi semplici e inanimati, ma l'interno di una cella è nell'agitazione. “È un ambiente materiale molto più complesso per le biomolecole,„ Shimobayashi ha detto. Ma ha spinto avanti, collaborando con i teorici Pierre Ronceray e Mikko Haataja, professore di assistenza tecnica meccanica ed aerospaziale. I ricercatori hanno spogliato la teoria giù ai sui due parametri più importanti, adattante la per provare a capire come il trattamento potrebbe lavorare in celle. Poi per verificare la teoria, Shimobayashi si è girato verso uno strumento avanzato della proteina sviluppato nel 2018 nel laboratorio di Brangwynne che ha fornito un ideale, sistema semplificato che imita come il trattamento si presenta naturalmente in celle. Un, i risultati sono venuto come qualcosa di una scossa.

Quando Shimobayashi ha provato ad indurre le goccioline per seminare istantaneamente, il sistema è venuto a mancare. Ma quando ha seminato più lentamente le goccioline, nucleate alle posizioni precisamente definite, in un modo che ha allineato perfettamente con suo hanno adattato la teoria. Aveva predetto come, dove e quando le goccioline della proteina si sono formate con cui Brangwynne ha chiamato “l'accuratezza notevole.„

Il gruppo dopo ha girato di nuovo alla complessità sudicia delle strutture della cellula indigene. Quando hanno rappresentato tutti i trattamenti che agiscono sulle concentrazioni nella proteina, hanno trovato che la teoria ha funzionato parimenti. Avevano quantificato il montaggio della molecola-da-molecola delle proteine nelle strutture liquide complesse che regolamentano le routine più fondamentali della vita. Non solo fanno queste strutture assomigliano ed agiscono a di olio in acqua, Shimobayashi ha detto, essi egualmente formano le goccioline negli stessi reticoli di base di nucleazione, ragruppanti intorno alle variazioni minuscole nel loro ambiente alle tariffe che possono essere prevedute con la stessa precisione quantitativa di altri generi di materiali.

Con quella potenza premonitrice viene una capacità costruire accelerata, secondo Brangwynne. Crede che quantificando i modelli premonitori biomolecolari di sviluppo e di trattamenti nella muffa di fisica piombo ad un mondo in cui più non guardiamo passivamente mentre i nostri cari soccombono alle malattie come Alzheimer.

“In primo luogo dobbiamo capire come funziona, con le strutture matematiche quantitative che sono la roccia fresca dell'assistenza tecnica della società si meravigliano. E poi possiamo intraprendere i punti seguenti, manipolare i sistemi biologici con maggior controllo,„ Brangwynne ha detto. “Dobbiamo potere girare i perni.„

Oltre a Brangwynne e a Shimobayashi, gli autori dello studio includono Pierre Ronceray, precedentemente un ricercatore postdottorale a Princeton; David W. Sanders, un ricercatore postdottorale nel laboratorio di Brangwynne; e Mikko Haataja, professore di assistenza tecnica meccanica ed aerospaziale. Il lavoro è stato supportato in parte dal Howard Hughes Medical Institute, gli istituti della sanità nazionali ed il centro di Princeton per i materiali complessi.

Source:
Journal reference:

Shimobayashi, S. F., et al. (2021) Nucleation landscape of biomolecular condensates. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03905-5.