Modellcelle visualisert som en kompakt fabrikk
Av David Coppedge; 30. mai 2023. Oversatt herfra

I episode 6 av Michael Behes videoserie Secrets of the Cell -lenke, skildret animatøren små menneskelige fabrikkarbeidere, roboter og maskiner på jobb inne i en magnetotaktisk bakteriecelle. Tegneseriefigurene blir sett å håndtere energiproduksjon, laste brygger med miniatyrgaffeltrucker, kode programvare, pakke de jernholdige magnetosomer for levering på transportbånd og gjøre alle slags ting som vi kan forholde oss til på et menneskelig nivå. Ekte celler, selv om de opererer med mange av de samme funksjonskravene, er bløte. De ser ikke ut som animasjonen. Hvordan kan vi visualisere innholdet til en celle på en måte som relaterer det faktiske utseendet til fabrikklignende operasjoner som holder på?

Bilde 1. Skisseoppdeling av celle

Å fange alle de indre delene av en celle i sine komplekse forhold tok mye arbeid, men noen forskere har lagt ei ny høy list for biofysisk avbildning. Allen Institute i Seattle -lenke ga ut nyheter 1. april som beskriver arbeidet deres som å visualisere "formrommet" til en typisk celle. Seniorforsker Matheus Viana forklarer tankegangen:
"Vi vet at i biologi er form og funksjon interrelatert, og forståelse av celleform er viktig for å forstå hvordan cellene fungerer," sa Viana. "Vi har kommet med et rammeverk som lar oss måle en celles form, og i det øyeblikket du gjør det, kan du finne celler som er av lignende former, og for de cellene kan du se inni og se hvordan alt er ordnet."

Formrom er funksjonsrom
Den første oppgaven med prosjektet deres var å få den utvendige formen spikret. Det var ikke lett å identifisere formen til sunne genetisk konstruerte stamceller, fordi de er bløtaktige. Ikke to er identiske, selv når de dyrkes under samme forhold. Stamceller midt i epitelvevsprøven har ulike former enn de på kantene. For å komplisere oppgaven ytterligere, er det faktum at ikke alle lignende celler utfører de samme funksjonene samtidig. Noen kan gjennomgå mitose når de observeres; Dette påvirker grundig cellens form.

Bilde 2. Celleinnhold (eng)

Forskerne fant at de fleste av deres 215.081 celler var bønneformet eller pæreformet i forskjellige grader. Ved å måle "bønne-formethet" og "pære-formethet" av tusenvis av celler, i henhold til 8 formkriterier, kom de til en gjennomsnittlig form. Dette tillot dem å studere plasseringene av 25 organeller og andre interiørdeler, som de fulgte ved hjelp av fluorescerende tager.
Resultatet er den roterende modellcellen vist i pressemeldingen. Det viser en fjern likhet med Behes kupéfabrikk. Legg merke til deres egne ord som avslører likheter:
-Da de så på plasseringen av de 25 fremhevede strukturer, og sammenlignet disse strukturene i grupper av celler med lignende former, fant de ut at alle cellene satte opp butikken på bemerkelsesverdig like måter. Til tross for de enorme variasjonene i celleform, var deres interne organisasjon påfallende konsistente.

Hvis du ser på hvordan tusenvis av hvitsnipp-arbeidere ordner møblene sine i et høyhusbygning, er det som om hver arbeider setter skrivebordet sitt smakk midt i rommet, og arkivskapet deres nettopp i det venstre hjørne, uansett størrelse eller form på kontoret.
Man kan bruke denne beskrivelsen på Behes celle fabrikk-bilde. Kontrollsenteret, importsenteret og leveringssenteret, har en tendens til å følge en forutsigbar intern organisasjon.

Visualisere funksjonelle endringer under mitose
Allen Institute -teamets første datasett omfattet en "stor grunn-populasjon av celler i interfase." Deretter studerte de formene på celler i ytterkantene av epitelvev. Begge disse datasettene involverte statiske bilder. Ting ble veldig interessante, da de la til den fjerde dimensjonen: tid. Deres kron-prestasjon var en 3D -modell som inkluderer observasjoner av delende celler - og kartlegging av alle 25 organeller og strukturer - i løpet av fem stadier av mitose. Resultatet er en fargerik, interaktiv "interaktiv mitotisk stamcelle" som biologer vil finne dypt interessant å utforske på IMSC.AllenCell.org -lenke.
Jeg anbefaler på det sterkeste lesere å tilbringe litt tid på nettstedet. Det minner meg om et prosjekt beskrevet i Illustras film metamorfose -lenke , der biolog Richard Stringer tok en tidsserie med MR -bilder av en sommerfugl-puppe, deler den i hundrevis av rammer og bygde en 3D -modell av hva som skjer under transformasjonen, fra puppe til sommerfugl. Illustra fargekodet strukturene slik at seerne kan se fra enhver vinkel når vingene tar form, fordøyelsessystemet blir dramatisk omorganisert, og alle de nye organene for den voksne blir konstruert.

Bilde 3. Celle -gjennom mikroskop

Tilsvarende, i Allen Cell Visualization -verktøyet, kan seerne se hva som skjer med hver organelle under mitose. Dette er en mye rikere opplevelse enn elevene får i biologi på videregående skole, der fokuset vanligvis er på kromosomene. Nå kan man se hva som skjer med mitokondriene, Golgi -apparatet, kjernen, kjernefysisk konvolutt, lysosomer, gapskryss, aktinfilamenter og alt annet i løpet av fem mitotiske stadier. Seerne kan snurre og forstørre cellen, svitsje de 25 organellene av og på, spille en rotasjonsanimasjon og se på delene i forskjellige grad av detaljer.
Teamet la merke til at noen organeller holder seg relativt stabile under mitose, og migrerer til de apikale nodene, mens andre som kjerne-konvolutten og Golgi gjennomgår dramatiske endringer, i hovedsak desintegrerende, og omorganiserer seg til nye strukturer som marsjerende bandspillere i en 'sprednings' -formasjon -Lenke. Biologilærere vil elske dette visualiseringsverktøyet. For ID-talsmenn åpner det nye muligheter for designbaserte hypoteser: For eksempel, hva orkestrerer hver organelles spesielle sekvens av endringer fra en celle til to celler, og hva som kontrollerer deres romlige forhold til andre organeller?
Allen-teamet ser sitt "formrom" -verktøy som et supplement til proteinbaserte studier.

-Andre systematiske bildebaserte tilnærminger har katalogisert plasseringen av humane proteiner i flere celletyper og brukt plasseringene av proteiner og strukturer i celler, for å identifisere forskjeller i intracellulære romlige mønstre blant celler i distinkte tilstander. Arbeidet vårt kompletterer disse tilnærmingene med sitt fokus på analyser av 3D -celleorganisasjon på mellomnivået av cellulære strukturer (snarere enn individuelle proteiner), og på generering av kvantitative målinger av forskjellige aspekter av organisasjonen, som muliggjør statistiske sammenligninger og gir en mer nyansert, systematisk definisjon av cellulær organisering og omorganisering. Sammen bringer disse studiene en avgjørende manglende dimensjon-det vil si den spatiotemporale komponenten-til encelle-revolusjonen. Datasettet og analysealgoritmene som ble introdusert her, så vel som alle reagenser, metoder og verktøy som trengs for å generere dem, deles på en lett tilgjengelig måte (lenke). Disse dataene er tilgjengelige for alle, for videre biologiske analyser og som et mål for utvikling av verktøy og tilnærminger, som beveger seg mot en helhetlig forståelse av celleatferd.

Med en modell av en normal sunn celle, digitalisert i en datamaskin, vil medisinske fagpersoner kunne identifisere unormale tilstander tidligere. Se den darwin-frie videoen "Hvordan måler du en menneskelig celle?" -Lenke. For å være vitne til spenningen de opplevde da modellcellen deres ble satt sammen etter syv års arbeid. Og dette er bare begynnelsen. Den nye modellen var bare fra en celletype, men menneskekroppen har mange forskjellige celletyper som virker i flere situasjoner, underlagt forskjellige patologier.
"Denne studien samler alt vi har gjort ved Allen Institute for Cell Science siden instituttet ble lansert," sa Ru Gunawardane, doktorgrad, administrerende direktør for Allen Institute for Cell Science. "Vi bygde alt dette fra bunnen av, inkludert beregningene for å måle og sammenligne forskjellige aspekter av hvordan celler er organisert. Det jeg virkelig er spent på er hvordan vi og andre i samfunnet nå kan bygge videre på dette, og stille spørsmål om cellebiologi som vi aldri kunne stille før."

Bilde 4. Ulike celletyper

Vianas veldig store team publiserte resultatene sine som 'åpen tilgang' i Nature 4. januar-Lenke. De eneste tingene som "utviklet seg" i artikkelen, var forskernes egne intelligent designede teknikker for avbildning og å sette opp eksperimenter. Alt annet var i 'maskinspråk' -
-å forstå hvordan en undergruppe av uttrykte gener dikterer cellulær fenotype, er en betydelig utfordring for det store antallet molekyler involvert, deres kombinatorikk og mengden av cellulær oppførsel som de bestemmer. Her reduserte vi denne kompleksiteten ved å fokusere på cellulær organisering-en nøkkelavlesning og driver for celleatferd-på nivå med viktige cellulære strukturer som representerer distinkte organeller og funksjonelle maskiner, og genererte WTC-11 HIPSC et-celle-bildedatasett V1, som Inneholder mer enn 200 000 levende celler i 3D, som spenner over 25 nøkkelcellulære strukturer.

Bilde 5. Ulike embryo-utviklinger

Allen -teamene som banebrytende innsats for å digitalisere en 3D -normal stamcelle som gjennomgår mitose, kan nå utvides av andre team som ønsker å undersøke andre celletyper nevroner, muskelceller, erytrocytter, beinceller i enhver annen organisme fra mikrobe til pattedyr. Jeg blir påminnet om bilder av forskjellige embryonale pattedyr i livmoren: en sjiraff som tar form, en elefant, en mus. Når den grunnleggende svangerskapssekvensen ble visualisert for mennesket, ble det fascinerende å se etter likheter og forskjeller hos andre pattedyr. Tilsvarende begynner Allen -prosjektet å visualisere en modellstamcelle det som sikkert vil føre til flere modeller for andre celletyper.
Hvis, som ID -talsmenn vet av erfaring, spesifisert kompleksitet i biologi vokser som en funksjon av detaljer, ser fremtiden lys ut for design apologetikk. Leeuwenhoek ville blitt overrasket.

Anekdote

Bilde 6. Celle med membran

Det er nyheter om magnetotaktiske bakterier som Dr. Behe diskuterte i sin video. Helmholtz Association for German Research Centers rapporterer (via Phys.org) at disse mikrober kan fjerne tungmetaller, inkludert uran, fra avløpsvann -lenke. På grunn av strukturen deres er de positivt predestinert for en slik oppgave, sier artikkelen, og bemerker at de lett kan skilles fra vann ved bruk av magneter. Bemerkelsesverdige sitater:
-Fordi de viser et trekk som skiller dem fra andre bakterier, danner magnetotaktiske bakterier nanoskopiske magnetiske krystaller i cellen. De er ordnet som en rad med perler og så perfekt dannet, at mennesker foreløpig ikke vil være i stand til å reprodusere dem syntetisk. Hvert enkelt magnetisk krystall er innebygd i en beskyttende membran.
-Sammen danner krystallene og membranen det såkalte magnetosomet som bakteriene bruker, for å samkjøre seg med jordens magnetfelt og orientere seg i deres habitat. Det gjør dem også egnet for enkle separasjonsprosesser.
-Magnetotaktiske bakterier kan finnes i nesten ethvert vannlig miljø fra ferskvann til saltvann, inkludert miljøer med svært få næringsstoffer. Mikrobiolog Dr. Christopher Lefévre har til og med oppdaget dem i de varme kildene i Nevada.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 7)

David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund