מחקרים עדכניים חשפו את המנגנונים הטבעיים מאחורי זרימות 'כמו טוויסטר' בתאי הביצה, החיוניים להפצה יעילה של חומרים מזינים. ממצאים אלה, שהושגו באמצעות מודלים מתקדמות וגישות ניסוי, מציעים תובנות חדשות לגבי תחבורה סלולרית ועשויים להשפיע על מחקר ביולוגי רחב יותר. תמונת מצב מתוך הדמיה של האופן שבו מיקרוטובוליות מתכופפות ומכוונות חומר בתא ביצה מתבגר לזרימה דמוית טוויסטר. קרדיט: ש' דוטה ואח'.
מחקר חדש שנערך על ידי מדענים במכון פלטירון חשף את מקורן של תנועות מסתחררות חידתיות בכמה מהתאים הגדולים ביותר בטבע.
תאי ביצה הם התאים הבודדים הגדולים ביותר על פני כדור הארץ. גודלם – לרוב פי כמה עד מאות מגודל תא טיפוסי – מאפשר להם לגדול לאורגניזמים שלמים, אך הוא גם מקשה על הובלת חומרים מזינים ומולקולות אחרות סביב התא. מדענים יודעים זה מכבר שתאי ביצית מתבגרים, הנקראים ביציות, מייצרים זרימות נוזלים פנימיות דמויות טוויסטר כדי להעביר חומרים מזינים, אבל איך זרימות אלו נוצרות מלכתחילה היה בגדר תעלומה.
כעת, מחקר בראשות מדעני חישוב במכון פלטירון, יחד עם משתפי פעולה באוניברסיטאות פרינסטון ונורת'ווסטרן, גילה כי זרימות אלו – שנראות כמו טורנדו מיקרוסקופיות – נובעות באופן אורגני מאינטראקציות של כמה מרכיבים תאיים. עבודתם, שפורסמה בגיליון אפריל של פיזיקת הטבע, השתמשו בתיאוריה, במודלים ממוחשבים מתקדמים וניסויים בתאי ביצת זבוב פירות כדי לחשוף את המכניקה של הטוויסטרים. התוצאות מסייעות למדענים להבין טוב יותר שאלות יסוד לגבי התפתחות תאי ביצה ותחבורה תאית.
"הממצאים שלנו מייצגים קפיצת מדרגה גדולה בתחום הזה", אומר מחבר שותף מייקל שלי, מנהל המרכז לביולוגיה חישובית (CCB) של מכון פלטירון. "הצלחנו ליישם טכניקות נומריות מתקדמות ממחקרים אחרים שפיתחנו במשך שנים, המאפשרות לנו להסתכל על הנושא הזה בצורה הרבה יותר טובה מאשר אי פעם היה אפשרי".
התפקיד של זרימת טוויסטר בהפצת חומרי הזנה
בתא אנושי טיפוסי, לוקח רק 10 עד 15 שניות למולקולת חלבון טיפוסית להתפתל מצד אחד של התא לצד השני באמצעות דיפוזיה; בתא חיידקי קטן, הטיול הזה יכול לקרות בשנייה אחת בלבד. אבל בתאי הביצית של זבוב הפירות שנחקרו כאן, הדיפוזיה לבדה לקחה יום שלם – הרבה יותר מדי זמן עד שהתא יתפקד כראוי. במקום זאת, תאי הביצה הללו פיתחו 'זרימות טוויסטר' שמסתובבות סביב החלק הפנימי של הביצית כדי להפיץ חלבונים וחומרי מזון במהירות, בדיוק כפי שטורנדו יכול לקלוט ולהזיז חומר הרבה יותר רחוק ומהיר יותר מהרוח לבדה.
בסרטון לולאה זה של תא ביציות, ניתן לראות חומר מסתובב ועוזר להפיץ חומרים מזינים בכל התא הגדל. קרדיט: ש' דוטה ואח'.
"אחרי שהיא תופרה, הביצית תהפוך לחיה העתידית", אומר מחבר המחקר, Sayantan Dutta, חוקר בפרינסטון וב-CCB. "אם אתה הורס את הזרימה בביצית, העובר שנוצר לא מתפתח."
החוקרים השתמשו בחבילת תוכנת ביופיסיקה מתקדמת בקוד פתוח בשם SkellySim שפותחה על ידי חוקרי מכון Flatiron. עם SkellySim, הם עיצבו את הרכיבים הסלולריים המעורבים ביצירת הטוויסטרים. אלה כוללים microtubules – חוטים גמישים המצפים את פנים התא – ומנועים מולקולריים, שהם חלבונים מיוחדים המשמשים כסוסי עבודה תאיים, הנושאים קבוצות מיוחדות של מולקולות הידועות כמטענים. מדענים לא בדיוק בטוחים ממה עשויים המטענים הללו, אבל הם ממלאים תפקיד מפתח ביצירת הזרימות.
החוקרים דימו את התנועה של אלפי מיקרוטובולים כשהם מגיבים לכוחות המופעלים על ידי מנועים מולקולריים נושאי מטען. על ידי מעבר הלוך ושוב בין הניסויים והסימולציות שלהם, החוקרים הצליחו להבין את מבנה זרימות הטוויסטר וכיצד הם נוצרו מהאינטראקציה בין הנוזל הסלולרי למיקרוטובוליות.
"העבודה התיאורטית שלנו מאפשרת לנו להתקרב ולמעשה למדוד ולהמחיש את הטוויסטרים הללו בתלת-ממד", אומר מחבר המחקר ומדען המחקר של CCB, רזה פרהדיפר. "ראינו כיצד המיקרוטובולים הללו יכולים ליצור זרימות בקנה מידה גדול רק באמצעות ארגון עצמי, ללא כל רמזים חיצוניים."
בסרטון לולאה זה של תא ביציות, ניתן לראות חומר מסתובב ועוזר להפיץ חומרים מזינים בכל התא הגדל. קרדיט: ש' דוטה ואח'.
השלכות ומחקר עתידי
המודלים חשפו שבתוך הביצית, מיקרוטובוליות מתחמקות תחת כוחם של המנועים המולקולריים. כאשר מיקרוטובולה מתכופפת או מתכופפת תחת עומס זה, היא גורמת לנוזל שמסביב לנוע, מה שיכול לכוון מחדש מיקרוטובולים אחרים. בקבוצה גדולה מספיק של מיקרוטובולים מתכופפים, כל המיקרוטובולים מתכופפים באותו כיוון, וזרימות הנוזל הופכות ל'שיתופיות'. כשהמיקרוטובולים מכופפים ביחד, המטענים הנעים יוצרים מערבולת או זרימה דמוית טוויסטר על פני כל הביצה, ועוזרת למולקולות להתפזר סביב התא. בעזרת הטוויסטרים, מולקולות יכולות לעבור על פני התא תוך 20 דקות במקום 20 שעות.
"המודל הראה שלמערכת יש יכולת מדהימה לארגן את עצמה כדי ליצור את הזרימה הפונקציונלית הזו", אומר שלי. "ואתה רק צריך כמה מרכיבים – רק מיקרו-צינוריות, הגיאומטריה של התא, ומנועים מולקולריים הנושאים מטענים."
הממצאים החדשים מניחים את הבסיס להבנה טובה יותר של התפתחות תאי ביצה. התוצאות עשויות גם לסייע בהפחתת המיסטיות של הובלת חומר בסוגי תאים אחרים.
"עכשיו כשאנחנו יודעים איך נוצרים הטוויסטרים האלה, אנחנו יכולים לשאול שאלות עמוקות יותר, כמו איך הם מערבבים את המולקולות בתוך התא?" אומר פרחדיפר. "זה פותח דיאלוג חדש בין תיאוריה לניסוי."
העבודה החדשה מספקת מבט רענן על מיקרוטובולים, אומר דוטה. למיקרוטובולים תפקיד מרכזי בסוגי תאים ובתפקודי תאים שונים – כגון חלוקת תאים – כמעט בכל האורגניזמים האוקריוטיים, כגון צמחים ובעלי חיים. זה הופך אותם ל"חלק חשוב מאוד מארגז הכלים של התא", אומר דוטה. "בהבנה טובה יותר של המנגנונים שלהם, אני חושב שהמודל שלנו יעזור להניע את הפיתוח בהרבה בעיות אחרות באמת מעניינות בביופיזיקה התאית."
