Как и большинство механизмов, митотическое веретено может работать со сбоями, и когда это происходит, ДНК может быть сломана или неравномерно разделена, что приводит к неконтролируемому делению клеток рака. Но хотя многое известно о биологических компонентах, которые образуют митотическое веретено, такие исследователи, как Скотт Форт, только начинают исследовать физические силы между этими компонентами.«Митотическое веретено — сложный, идеально сбалансированный механизм», — сказал Форт, биолог-количественный, который недавно присоединился к Политехническому институту Ренсселера в качестве доцента биологических наук и члена Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований. «У нас есть список запчастей для большей части задействованного оборудования, но мы не понимаем, как все это сочетается друг с другом для бесперебойной работы. Моя работа пытается понять — что это за силы?»
В своем исследовании Форт использует технику оптического захвата для количественной оценки сил, действующих на компоненты клеточных структур, такие как митотическое веретено.Многие ключевые клеточные процессы полагаются на физическое взаимодействие между биологическими компонентами для выполнения функций. «Список частей» в этих процессах аналогичен: микротрубочки, полужесткие белковые трубочки, могут служить внутри клетки как строительные леса, дороги и строительный материал для машин; некоторые белки служат застежками, связывая и высвобождая другие материалы; а моторные белки используют химическую энергию, чтобы толкать и тянуть материалы по микротрубочкам или перемещать сами микротрубочки.Чтобы сформировать митотическое веретено, две органеллы, называемые центросомами, перемещаются на противоположные стороны двух идентичных наборов хромосом, сосредоточенных рядом с центром клетки. Из каждой центросомы собирается плотная сеть микротрубочек, доходящих до и вокруг массы хромосом.
Некоторые микротрубочки соединяются с хромосомами, в то время как другие соединяют две центросомы, образуя клетку вокруг хромосом. В идеале микротрубочки каждой центросомы соединяются исключительно с одной из хромосом в наборе. Затем микротрубочки — с помощью белков и моторных белков — начинают укорачиваться и двигаться, притягивая хромосомы к центросомам, пока два набора не будут разделены.
Чтобы узнать больше о механике, Форт исследует силы, действующие внутри частей веретена, используя простые «строительные блоки», состоящие из одного типа белка и микротрубочек. Например, белок PRC1 связывается с микротрубочками, создавая пучки микротрубочек и перекрестные связи между ними. PRC1 работает вместе с моторным белком, который скользит по микротрубочкам, а PRC1 замедляет движение этого скольжения через сопротивление. Если PRC1 выбит не на своем месте, хромосомы будут слишком быстро перемещаться друг от друга, нарушая запутанный выбор времени митоза.
«В этой простой системе у нас есть и толкающая сила, и сила сопротивления, и вопрос в том, как эти силы складываются, чтобы перемещать микротрубочки с надлежащей скоростью?» Сказал Форт. «Это то, что мы можем измерить в моей лаборатории».Для этого Форт использует взаимосвязь между полистирольным шариком и лазерным светом.
Когда луч света фокусируется на шарике из полистирола, шарик становится поляризованным и притягивается к полю светового луча. Любая попытка сдвинуть бусинку с места искажает свет, и свет, в свою очередь, отталкивает бусинку обратно.
Изменения направления света можно измерить с помощью фотодетектора и преобразовать в меру физической силы. Прикрепляя ячеистые структуры, такие как PRC1 и микротрубочки, к шарику из полистирола и позволяя структуре функционировать, Форт может измерять физическую силу, создаваемую структурой.«Идея состоит в том, чтобы создать ключевые характеристики шпинделя и измерить эти силы», — сказал Форт. «Можем ли мы наблюдать и видеть, что происходит с данным набором белков, и можем ли понимание механики помочь нам понять, как функционирует клетка? Это цель».
В Rensselaer это исследование воплощает в жизнь видение Новой Политехники, формирующейся парадигмы высшего образования, которая признает, что глобальные проблемы и возможности настолько сложны, что их не может решить даже самый талантливый человек, работающий в одиночку. Ренсселер служит перекрестком для сотрудничества — работы с партнерами из разных дисциплин, секторов и географических регионов для решения глобальных проблем — и решает некоторые из самых насущных технологических проблем в мире, от энергетической безопасности и устойчивого развития до биотехнологий и здоровья человека.
Новый политехнический институт преобразует глобальное влияние исследований, новаторскую педагогику и жизнь студентов в Rensselaer.