力生物學 生物物理 科學報導 細胞生物學 跨領域生物科技

【五月小新聞主題:細胞生物物理】

在生物物理的領域中,物理學家擅長利用公式或定理以化簡的方式描述萬物,但生物體本身是一個複雜系統,而且充滿了例外,因此也要由生物學家透過呈現影像、晶體、以及量化數據並從中細細地觀察。不論是調整物理公式的參數和條件仰賴於生物實驗的結果輔助;或者是因為生物表現出的行為難以直覺理解而尋求物理和數學建構的解方,都需要多方共同合作,以找出生物現象內的規律性。因此,這類型研究也和廣大的生物研究尺度一樣,可以從分子、細胞、集體行為做到生態系等等。

近年來,研究者們對於將細胞核當作「外界微環境感測器」這個概念相當重視 [1],且也被應用於細胞核型態改變與染色質重組、生理細胞遷移等相關研究(圖一),顯示以物理的角度也能大幅推進生物醫學研究。

圖一、 讓細胞核變形的機械力與細胞的反應(a)細胞核膜的結構與連結細胞骨架的LINC複合體。核孔複合體跨越核膜並被較少聚集的染色質包圍,允許分子受控制地進出;而LINC複合體提供了細胞骨架纖維與細胞核內部之間的直接物理連接,從而將力量從細胞質傳遞到細胞核。(b)貼附型細胞頂側的肌動蛋白纖維(apical actomyosin fibres)具有張力,會產生垂直的壓縮力,導致細胞核變扁。(c)在體內細胞的遷移需要穿過狹窄的空間,在鄰近細胞和密集的細胞外基質間移動。細胞核的機械特性以及外部限制的力量,使細胞調整核膜蛋白的組成(Lamins A/C)來達到核變形程度的平衡。例如左圖,嗜中性白血球或正在轉移的癌細胞有較軟細胞核,可以穿梭自如;右圖像是樹突細胞有較硬的細胞核,藉此產生核膜周圍的肌動蛋白網,這些肌動蛋白纖維累積會對細胞核施加橫向推力,使細胞通過狹窄的細胞外基質遷移。圖片來源:修改至https://doi.org/10.1038/s41580-022-00480-z

因此,本月 The Investigator Taiwan 將透過不同角度介紹近年來細胞生物物理領域中的研究突破,本月選文包括細胞核如何受到機械力學的調控並影響蛋白質運輸、斑馬魚模型中傷口癒合如何受到機械波調控、展示了一個比GFP更亮的水母螢光蛋白──StarGold應用在超高解析度成像上、以及如何透過高分子的聚合,使樣品膨脹放大,進而解析出正常與病變細胞中的奈米級結構。詳細內容請各位讀者拭目以待。

參考文獻:

  1. Kalukula, Y., Stephens, A. D., Lammerding, J. & Gabriele, S.  Nat Rev Mol Cell Biol 23, 583–602 (2022). https://doi.org/10.1038/s41580-022-00480-z

撰文|劉又萱
審稿|蕭皓文

About the author

You Hsuan Liu 劉又萱

You Hsuan Liu 劉又萱

劉又萱,新北人,成大生科雙主修醫工畢業,目前在中研院物理所研究細胞層次的微環境力學,希望在investigator能提升台灣學子在各個生醫領域學術理解的易讀性,同時讓自己練習面向大眾的文字表達。

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