Voor de eerste keer, wetenschappers hebben minuscule volgapparatuur rechtstreeks in het binnenste van zoogdiercellen geïntroduceerd, het geven van een ongekend kijkje in de processen die het begin van ontwikkeling bepalen.

Dit werk aan eencellige embryo's zal ons begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan cellulair gedrag in het algemeen veranderen, en kan uiteindelijk inzicht geven in wat er mis gaat bij veroudering en ziekte.

Het onderzoek, onder leiding van professor Tony Perry van de afdeling Biologie en Biochemie aan de Universiteit van Bath, betrokken bij het injecteren van een op silicium gebaseerde nanodevice samen met sperma in de eicel van een muis. Het resultaat was een gezonde, bevruchte eicel met een volgapparaat.

De kleine apparaten lijken een beetje op spinnen, compleet met acht zeer flexibele 'poten'. De poten meten zeer nauwkeurig de 'trek- en duwkrachten' die in het celinterieur worden uitgeoefend, waardoor de cellulaire krachten in het spel worden onthuld en hoe intracellulaire materie zichzelf in de loop van de tijd herschikt.

De nanodevices zijn ongelooflijk dun - vergelijkbaar met sommige structurele componenten van de cel, en meet 22 nanometer, waardoor ze ongeveer 100 zijn, 000 keer dunner dan een pondmunt. Dit betekent dat ze de flexibiliteit hebben om de beweging van het cytoplasma van de cel te registreren wanneer het eencellige embryo begint aan zijn reis om een ​​tweecellig embryo te worden.

"Dit is de eerste glimp van de fysica van een cel op deze schaal van binnenuit, " zei professor Perry. "Het is de eerste keer dat iemand van binnenuit heeft gezien hoe celmateriaal beweegt en zichzelf organiseert."

Waarom het mechanische gedrag van een cel onderzoeken?

De activiteit binnen een cel bepaalt hoe die cel functioneert, legt professor Perry uit. "Het gedrag van intracellulaire materie is waarschijnlijk net zo invloedrijk op celgedrag als genexpressie, " zei hij. Tot nu toe, echter, deze complexe dans van celmateriaal is grotendeels onbestudeerd gebleven. Als resultaat, wetenschappers hebben de elementen kunnen identificeren waaruit een cel bestaat, maar niet hoe het celinterieur zich als geheel gedraagt.

"Van studies in biologie en embryologie, we weten over bepaalde moleculen en cellulaire fenomenen, en we hebben deze informatie verweven in een reductionistisch verhaal over hoe dingen werken, maar nu is dit verhaal aan het veranderen, " zei professor Perry. Het verhaal is grotendeels geschreven door biologen, die de vragen en hulpmiddelen van de biologie met zich meebrachten. Wat ontbrak was natuurkunde. Natuurkunde vraagt ​​naar de krachten die het gedrag van een cel sturen, en biedt een top-down benadering om het antwoord te vinden.

"We kunnen nu naar de cel als geheel kijken, niet alleen de moeren en bouten die het maken."

Voor het onderzoek werden muizenembryo's gekozen vanwege hun relatief grote omvang (ze meten 100 micron, of 100 miljoenste van een meter, in diameter, vergeleken met een gewone cel die slechts 10 micron [10 miljoenste van een meter] in diameter is). Dit betekende dat in elk embryo, er was ruimte voor een tracking device.

De onderzoekers deden hun metingen door video-opnames te bekijken die door een microscoop werden genomen terwijl het embryo zich ontwikkelde. "Soms werden de apparaten gekanteld en verdraaid door krachten die zelfs groter waren dan die in spiercellen, " zei professor Perry. "Op andere momenten, de apparaten bewogen heel weinig, waaruit blijkt dat het celinterieur kalm is geworden. Er was niets willekeurigs aan deze processen - vanaf het moment dat je een eencellig embryo hebt, alles gebeurt op een voorspelbare manier. De fysica is geprogrammeerd."

De resultaten dragen bij aan een opkomend beeld van biologie dat suggereert dat materiaal in een levende cel niet statisch is, maar verandert in plaats daarvan zijn eigenschappen op een vooraf bepaalde manier als de cel zijn functie vervult of reageert op de omgeving. Het werk kan op een dag implicaties hebben voor ons begrip van hoe cellen verouderen of stoppen met werken zoals ze zouden moeten, dat is wat er gebeurt bij ziekte.

Het onderzoek is deze week gepubliceerd in Natuurmaterialen en omvatte een transdisciplinair partnerschap tussen biologen, materiaalwetenschappers en natuurkundigen gevestigd in het VK, Spanje en de VS.