軟件追蹤肌球蛋白的運動。
彩色編碼顯示了iSCAT顯微鏡記錄的肌球蛋白絲的動態變化。
近日，來自英國華威大學的科學家們使用了一種新的顯微鏡技術分析了細胞內部的分子馬達——肌球蛋白，並詳細描述了以微絲蛋白形式存在的細胞“肌肉”的運動，相關論文發表在《生物物理》雜誌上。
肌球蛋白是一種形成動力絲的蛋白質，它能夠賦予細胞穩定性，並參與細胞內肌動蛋白皮層的重塑。肌動蛋白皮層類似於細胞的骨架，賦予細胞形狀，而肌球蛋白絲則類似於細胞的肌肉，能夠通過“彎曲”使細胞向外施加力並移動。
這篇論文的通訊作者、華威醫學院的Darius Koster博士說：“當細胞想要收縮或對鄰近的細胞/組織施加壓力時，它會利用肌球蛋白和肌動蛋白絲陣列形成應力纖維，執行類似於肌肉收縮的動作。這些蛋白也可以形成其他結構，在細胞不斷地進行自我改造的過程中，所有這些蛋白質都會經歷週轉，許多細胞過程都需要皮層的局部重塑。”
通常情況下，生物學家會使用光學熒光顯微鏡來分析生物分子，但這需要在分子中加入一種熒光蛋白，激活後才可發出熒光進行分析。而這種技術會產生光毒性，也就是說，當我們看到熒光的時候，生物分子的結構也被破壞了。
為了克服這一障礙，華威大學的研究小組與牛津大學的Kukura實驗室合作，使用了一種被稱為干涉散射顯微鏡（iSCAT）的技術來研究最小的細胞皮層。這項技術使用的是來自源分子的散射光，無需向分子中添加熒光蛋白。通過測量光線和來自樣品所在表面光線之間的干涉，科學家們可以在限制分子暴露的光量的同時製作出更靈敏、可放大的圖像。這項技術打破了光學分辨率的限制，可以看到0.0002毫米的分子，而肌球蛋白絲通常為0.001毫米長。Köster博士補充說：“最小的細胞皮層會在幾十分鐘內自我調整，所以我們需要在短時間內跟蹤細胞活動。而要在長時間內跟蹤，傳統的熒光顯微鏡則很難做到這一點。”
“在這項研究中，我們想知道肌球蛋白是否會與肌動蛋白結合並施加拉力，或者它是否會跨越幾根細絲使它們結合在一起收縮。通過iSCAT，我們發現了肌球蛋白絲不同的波動狀態。肌球蛋白有一個啞鈴狀的結構，當一側與肌動蛋白結合時會劇烈波動；如果兩側都結合在肌動蛋白上，則波動幅度會小很多。這是我們第一次發現肌球蛋白在兩種情況下都能發揮作用。”
Lewis Mosby是這篇論文的主要作者，他編寫了新的粒子跟蹤軟件來識別肌球蛋白細絲的位置和方向。他說：“我們把之前用於探測星系和天空中其他物體的代碼應用到了微觀尺度上，發現了這些不可思議的事情。”
這些分子馬達不僅幫助我們進一步認識了哺乳動物細胞皮層一般功能，也為新技術提供了一個模型。
Köster博士補充說：“這是一個自組織複合材料的好例子，它具有由蛋白質性質決定的一系列不同的動力學特性。智能材料中也存在這種有趣的特性，它們不僅能夠自組織，還能根據能量消耗主動呈現出不同的形狀。”
期刊編號：0006-3495
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-04-cell-muscle-movements-visualised.html
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