Flatiron 研究所的科學家進行的新研究揭示了自然界中一些最大細胞中神秘漩渦運動的起源。卵細胞是地球上最大的單細胞。卵細胞的大小通常是普通細胞的數倍到數百倍，這使它們能夠長成整個生物體，但同時也為細胞周圍的營養物質和其他分子的運輸帶來了困難。

最新研究揭示了卵細胞中”漩渦狀”流動背後的自然機制，這種流動對營養物質的高效分配至關重要。這些發現是透過先進的建模和實驗方法實現的，為細胞運輸提供了新的見解，並可能影響更廣泛的生物學研究。模擬微管如何彎曲並引導成熟卵細胞中的物質形成旋渦狀流動的快照。圖片來源：S. Dutta 等人

科學家早就知道，成熟的卵細胞（稱為卵母細胞）會在內部產生類似旋渦的液流來運輸營養物質，但這些液流是如何產生的一直是個謎。

現在，Flatiron 研究所的計算科學家與普林斯頓大學和西北大學的合作者共同領導的研究揭示了這些流動–看起來就像微型龍捲風–是由一些細胞成分的相互作用有機產生的。他們的研究成果發表在四月號的《自然-物理》（Nature Physics）雜誌上，他們利用理論、先進的電腦建模和果蠅卵細胞實驗揭示了龍捲風的力學原理。這些成果有助於科學家更了解有關卵細胞發育和細胞運輸的基礎問題。

「我們的發現代表了這一領域的一大飛躍，」共同作者、Flatiron 研究所計算生物學中心（CCB）主任邁克爾-謝利（Michael Shelley）說。 “我們能夠應用多年來從其他研究中獲得的先進數值技術，這讓我們能夠比以往更好地看待這個問題。”

在一個典型的人體細胞中，一個典型的蛋白質分子透過擴散從細胞的一側蜿蜒到另一側只需要10 到15 秒；而在一個小型細菌細胞中，這個過程只​​需要一秒鐘。但在本文研究的果蠅卵細胞中，光是擴散就需要一整天的時間–這對細胞的正常功能來說時間太長了。相反，這些卵細胞發展出了”旋風流”，它在卵細胞內部盤旋，迅速分配蛋白質和營養物質，就像龍捲風能把物質捲起並移動到比風更遠更快的地方一樣。

在這段循環播放的卵母細胞影片中，可以看到物質在整個生長細胞中循環並幫助分配養分。圖片來源：S. Dutta 等人

「受精後，卵母細胞將成為未來的動物，」該研究的合著者、普林斯頓大學和中央研究院的研究員薩揚坦-杜塔（Sayantan Dutta）說。 “如果破壞了卵母細胞中的流動，所產生的胚胎就不會發育”。

研究人員使用了Flatiron 研究所研究人員開發的一款名為SkellySim的先進開源生物物理學軟體包。透過SkellySim，他們模擬了參與製造細胞的成分。其中包括微管–細胞內部的柔性細絲–和分子馬達，分子馬達是作為細胞工作母機的特化蛋白質，攜帶著被稱為有效載荷的特殊分子群。科學家還不太清楚這些有效載荷是由什麼組成的，但它們在產生氣流中起著關鍵作用。

研究人員模擬了數以千計的微管在載重分子馬達的作用力下的移動。透過在實驗和模擬之間來回切換，研究人員得以了解旋流的結構，以及它們是如何從細胞液和微管之間的相互作用中產生的。

“我們的理論工作使我們能夠放大並以三維方式實際測量和可視化這些旋渦，”該研究的合著者、CCB 研究科學家Reza Farhadifar 說。 “我們看到了這些微管如何在沒有任何外部線索的情況下，透過自組織產生大規模流動。”

在這段循環播放的卵母細胞影片中，可以看到物質在整個生長細胞中循環並幫助分配養分。圖片來源：S. Dutta 等人

模型顯示，在卵母細胞內部，微管在分子馬達的作用下彎曲。當微管在這種負荷下屈曲或彎曲時，會導致周圍液體移動，從而使其他微管重新定向。在一個足夠大的彎曲微管群中，所有微管都朝同一方向彎曲，流體流動就會變得”合作”。隨著微管的集體彎曲，移動的有效載荷在整個卵子中形成漩渦或漩渦狀流動，幫助分子分散到細胞周圍。有了漩渦，分子可以在20 分鐘而不是20 小時內穿過細胞。

謝利說：「模型顯示，該系統具有令人難以置信的自我組織能力，能夠創造出這種功能性流動。而只需要一些成分–只有微管、細胞的幾何形狀和攜帶有效載荷的分子馬達。

這些新發現為更好地了解卵細胞的發育奠定了基礎。這些結果也有助於揭開其他細胞類型中物質運輸的神秘面紗。

「既然我們知道了這些漩渦是如何形成的，我們就可以提出更深層次的問題，例如它們是如何混合細胞內的分子的？這開啟了理論與實驗之間的新對話。」法哈迪法爾說。

“這項新研究讓人們對微管有了全新的認識。微管在植物和動物等幾乎所有真核生物的各種細胞類型和細胞功能（如細胞分裂）中發揮著核心作用。這使它們成為”細胞工具箱中非常重要的一部分”，Dutta 說。

編譯來源：ScitechDaily