果蝇卵母细胞内自组织扭曲的建模与模拟

细胞质流动是活细胞内细胞质（即细胞内的凝胶状液体）的大规模运动。已知这种流动可以调节各种细胞内过程，在细胞发育的不同阶段，不同细胞类型之间的差异很大。检查和建模不同类型的细胞质流可以帮助我们了解它们是如何在特定类型的细胞中出现的

过去的研究主要检查了大细胞中流动的细胞质流，人们经常认为，在大细胞中，扩散太慢，无法实现生物体需要执行的生物过程（例如，卵子或胚胎的发育，或大型植物细胞中的发育）

由于这种缓慢的扩散，流动使细胞成分能够更快地分布。例如，在早期的苍蝇卵母细胞（即发育中的卵细胞）中，细胞质流动看起来是随机的，而在发育的后期，卵母细胞更大，它们可以出现大规模和旋转

熨斗研究所的研究人员在先前工作的基础上，最近引入了一种通用的建模策略，可用于研究由流体动力学耦合的可变形纤维组成的系统中的自组织细胞质流

该模型在《自然物理学》杂志上介绍，并与普林斯顿大学和西北大学的科学家合作，将其与果蝇（即果蝇）卵母细胞实验中收集的数据相结合，以收集关于自组织细胞质流的见解

“我在生物活性物质、细胞内力学和复杂流体的一般领域工作了一段时间，”该论文的合著者Michael J.Shelley告诉Phys.org。“我们最近的论文中解决的问题结合了所有这些领域，每一个领域我都非常喜欢。

”我从我的朋友雷·戈尔茨坦那里了解到了卵母细胞流动的这个特殊问题，并意识到早期与Flatiron同事大卫·斯坦因的合作可能会适应了解卵母细胞问题。确实如此，大卫和我与雷和他在剑桥的同事合作，制作了第一个非常精简的2D模型。“这项工作发表在2021年的《物理评论快报》上。

熨斗研究所的研究人员之前开发了各种工具来研究移动微管的流体动力学，微管是细胞骨架的核心元素。Shelley、Stein和他们的同事Reza Farhadifar、Sayantan Dutta和Stas Shvartsman计划使用这些数字工具来研究研究3D细胞中自组织细胞质流动的开始

Shelley解释道：“我们最近研究的主要目标是提供一个最小但不太小的模型，只调用微管、分子马达和细胞质，可以解释实验观察结果并帮助做出预测。”

Shelley和他的同事最近进行的这项研究将物理学和数学理论与实验结果相结合。研究人员首先创建了一个模型，然后可以用来模拟果蝇卵母细胞中自组织的细胞质流动

Shelley说：“我们为分子马达在微管上运动产生的应力写下了一个数学模型。”。“这个模型应该允许微管在负载下弯曲，并允许其弯曲移动细胞质，这会影响其他微管的弯曲。接下来，使用一个高质量的软件——这里称为SkellySim——它可以模拟数千个这样的微管，当它们共同弯曲时，通过共同推动流体相互作用。”

在参数为p’=15和σ’=45的模拟剖视图中，锚定在球体内表面的微管配置的时间过程（情况II）。时间戳显示标准化为单个微管的弛豫时间的时间。来源：《自然物理学》（2024）。DOI:10.1038/s41567-023-02372-1

在开发了他们的模型并运行了模拟之后，Shelley和他的同事对果蝇卵母细胞进行了实验。首先，他们使用光学显微镜检查发育中的卵细胞的细胞质运动，然后使用粒子成像测速仪分析他们收集的数据，以重建细胞质速度场

Shelley说：“我们的论文提供了一个明确的例子，说明了在极少数成分的情况下，大规模的运输系统（即流动流）如何通过少数成分（即微管、马达和细胞质）的相互作用在细胞中出现。”。“美妙之处在于它的稳健性，因为在控制模型的大部分参数空间中，系统只想形成一个龙卷风。我认为这是生物自组织执行任务的一个很好的例子。”

值得注意的是，使用他们的模型，研究人员还能够预测细胞形状对龙卷风方向的影响。他们的预测表明，虽然果蝇卵母细胞中细胞质流动的动力学可能非常复杂，但它们最终会导致一种简单的最终状态（即扭曲）

Shelley和他的合作者收集的发现可能很快为进一步探索细胞质流铺平道路，特别是关注这种简单的龙卷风状态。这可能会导致关于支撑生物细胞重要过程的物理学的有趣的新发现

“这项工作证明了高性能计算和现代算法可以为理解生物物理现象带来的力量，”Shelley补充道。“在我们的下一项研究中，我们计划探索这些扭曲流如何在细胞中混合成分，或使其能够从一个点传递到另一个点。

”卵母细胞内还有其他非常有趣的运输系统，如通过环管。我一般都是