研究人员为理解细胞过程提供了更有用的工具

了解蛋白质和其他分子如何在细胞内移动对于理解细胞如何发挥作用非常重要。科学家使用一种名为荧光恢复后的光漂白实验(FRAP)来研究这种分子运动，现在布朗大学的研究人员开发了一种数学建模技术，使FRAP更有用。

传统上，FRAP数据已用于测量分子扩散 -细胞内果冻样细胞质内分子的被动漂移。但这些分子运动并不总是那么被动。在许多细胞过程中，分子可以通过分子马达主动运输，分子马达像拖运货车线的机车一样牵引分子。

“我们知道主动运输在许多细胞系统中很重要，但没有任何方法可以从FRAP数据中获取它，”Veronica Ciocanel博士说。布朗应用数学系的学生。“我们为FRAP数据开发了一种建模技术，包括主动传输，可以量化这些动态如何工作的细节。”

在生物物理杂志发表的一篇论文中，Ciocanel和她的同事通过描述卵细胞在开始分裂形成胚胎之前如何重新分布遗传物质的新细节来证明这种技术。

从FRAP获得更多

为了进行FRAP实验，科学家们用发光的荧光蛋白标记他们想要观察的分子。然后，他们用激光切割感兴趣的区域，激活一些荧光蛋白，并在发光质量内产生一个小的黑点。然后科学家观察到黑点消散，随着黑暗分子从斑点漂移出来并且静止荧光分子漂移而逐渐消失。随着时间的推移，斑点中的荧光量就是所谓的恢复曲线。

然后可以将恢复曲线输入到产生扩散系数的数学模型中，扩散系数是分子漂移的平均速率。一些模型还可以梳理出结合速率(分子通过将自身附着到其他分子或基质上而停止移动的速率)，但没有任何可以处理主动运输。

Ciocanel开始与由布朗生物学教授Kimberly Mowry领导的实验室合作创建一个。

卵细胞中的主动运输

Mowry实验室研究的一个问题是卵细胞或卵母细胞中的RNA定位。在分裂形成胚胎之前，卵母细胞将信使RNA关键的遗传分子重新分配 - 从细胞核附近到细胞两侧的外膜。该过程发生在动物物种之间，对正常胚胎发育至关重要。Mowry的实验室研究了一种名为非洲爪蟾(Xenopus laevis)的青蛙物种，因为该物种的卵母细胞相对较大且更容易观察。

Mowry和其他研究人员已经证明，通过分子马达的主动运输以及扩散对非洲爪蟾卵母细胞的定位过程可能很重要。还有人猜测转运不是从细胞核到细胞膜的单向转运。Mowry已经进行了实验，表明mRNA分子实际上在此过程中有时会向细胞核移回。但是通过FRAP无法捕捉所有这些动态。

与布朗应用数学部门主席BjörnSandstede合作，Ciocanel使用可以捕捉主动力学的偏微分方程组来开发模型。一个模型捕获了两种分子运动状态：简单扩散以及单向运动。第二个更复杂的模型捕获扩散，双向运动以及一些分子在一段时间内保持静止的可能性。Ciocanel随后开发了一套数值技术来解决模型并为主动运输运动提供速度。

一旦模型被创建并且可以用数字方式解决，Ciocanel就会根据假设系统对合成FRAP数据进行处理，其中主动运输的贡献是已知的。她表明模型可以从合成数据中正确地再现主动动力学。

在验证了这些模型之后，研究人员将它们应用于非洲爪蟾FRAP实验的真实数据，并且能够为RNA定位过程提供新的视角。

“我们能够量化每种机制的贡献，”Ciocanel说。“我们可以预测有多少mRNA在这个过程中扩散，上下移动或暂停。”

这些模型还能够确认动态中的小但重要的细微差别。例如，研究表明双向转运在最接近膜的细胞部分中更为突出。

像这样的新见解最终可以帮助科学家更全面地了解这个关键细胞过程中的动态。但这远不是该技术可能有用的唯一环境。已知在许多细胞过程中发生主动转运。例如，大脑中的突触活动被认为涉及活跃的mRNA定位。

“只要有活跃的运输，”桑德斯特德说，“这种方法可以让你了解正在发生的事情。”

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