Cellmekanik

Cellmekanik är ett delområde av biofysik som fokuserar på de mekaniska egenskaperna och beteendet hos levande celler och hur det relaterar till cellfunktion. Den omfattar aspekter av cellbiofysik , biomekanik , mjuk materiens fysik och reologi , mekanobiologi och cellbiologi .

Eukaryot

Eukaryota celler är celler som består av membranbundna organeller , en membranbunden kärna och mer än en linjär kromosom . Eftersom de är mycket mer komplexa än prokaryota celler, celler utan en verklig kärna, måste eukaryoter skydda sina organeller från yttre krafter.

Växtcellstruktur

Växt

Växtcellsmekanik kombinerar principer för biomekanik och mekanobiologi för att undersöka tillväxten och utformningen av växtcellerna. Växtceller, som liknar djurceller, svarar på externt applicerade krafter, till exempel genom omorganisation av deras cytoskelettnätverk. Närvaron av en avsevärt stel extracellulär matris , cellväggen , ger emellertid växtcellerna en uppsättning speciella egenskaper . Tillväxten av växtceller styrs främst av cellväggens mekanik och kemiska sammansättning. En stor del av forskningen inom växtcellsmekanik ägnas åt mätning och modellering av cellväggsmekaniken för att förstå hur modifiering av dess sammansättning och mekaniska egenskaper påverkar cellfunktionen, tillväxten och morfogenesen .

Djur

Djurens cellstruktur

Eftersom djurceller inte har cellväggar för att skydda dem som växtceller, kräver de andra specialiserade strukturer för att upprätthålla yttre mekaniska krafter. Alla djurceller är inneslutna i ett cellmembran tillverkat av ett tunt lipiddubbelskikt som skyddar cellen från exponering för den yttre miljön. Genom att använda receptorer sammansatta av proteinstrukturer kan cellmembranet släppa in utvalda molekyler i cellen. Inuti cellmembranet finns cytoplasman , som innehåller cytoskelettet. Ett nätverk av filamentösa proteiner inklusive mikrotubuli , mellanliggande filament och aktinfilament utgör cytoskelettet och hjälper till att bibehålla cellens form. Genom att arbeta tillsammans kan de tre typerna av polymerer organisera sig för att motverka de applicerade yttre krafterna och motstå deformation. Det finns dock skillnader mellan de tre polymererna.

Den primära strukturella komponenten i cytoskelettet är aktinfilament. Eftersom de är den smalaste med en diameter på 7 nm och mest flexibla av de tre typerna av polymerer , finns aktinfilament vanligtvis i ytterkanten av cytoplasman i djurceller. De bildas genom kopplingen av polymerer av ett protein som kallas aktin och hjälper till att ge celler form och struktur och kan transportera proteinpaket och organeller. Dessutom har aktinfilament förmågan att snabbt monteras och demonteras, vilket gör att de kan delta i cellmobiliteten.

Å andra sidan är mellanliggande filament mer permanenta strukturer med en diameter på 8 till 10 nm. Sammansatt av många fibrösa proteinsträngar lindade tillsammans, mellanliggande proteiners huvudsakliga roll är att bära spänning och behålla cellens form och struktur genom att säkra kärnan och andra organeller i deras utsedda områden.

Den största cytoskelettstrukturen av de tre typerna av polymerer är mikrotubuli med en diameter på 25 nm. Till skillnad från aktinfilament är mikrotubuli stela, ihåliga strukturer som strålar utåt från mikrotubuliorganiseringscentret ( MTOC) . Mikrotubuli består av tubulinproteiner och är dynamiska strukturer som gör att de kan krympa eller växa med tillsats eller avlägsnande av tubulinproteiner. När det gäller cellmekanik är mikrotubuli huvudsakligen att motstå kompressiva cellulära krafter och fungera som ett transportsystem för motorproteiner.

Det visades att melanin också kan ha en inverkan på cellers mekaniska egenskaper. Forskningen som gjordes av Sarnas team visade att kraftigt pigmenterade melanomceller har Youngs modul på cirka 4,93, medan den hos icke-pigmenterade endast var 0,98. I ett annat experiment fann de att elasticiteten hos melanomceller är viktig för dess metastaser och tillväxt: icke-pigmenterade tumörer var större än pigmenterade och det var mycket lättare för dem att sprida sig. De visade att det finns både pigmenterade och icke-pigmenterade celler i melanomtumörer, så att de både kan vara läkemedelsresistenta och metastaserande.

Mätning

Eftersom celler är små, mjuka föremål som måste mätas annorlunda än material som metall, plast och glas, har nya tekniker utvecklats för noggrann mätning av cellmekanik. Mångfalden av tekniker kan delas in i två kategorier: kraftappliceringstekniker och kraftavkänningstekniker. När det gäller celler med väggar, såsom växt- eller svampceller, på grund av att det finns en styv, anisotrop och krökt cellvägg som inkapslar cellerna, kan särskilda hänsyn och skräddarsydda tillvägagångssätt krävas jämfört med de metoder som används för att mäta djurcellers mekanik.

Forcerad applicering

Kraftappliceringstekniker använder cellens svar av deformation på kraft som appliceras på cellen som ett sätt att mäta cellens mekaniska egenskaper. Det finns flera olika typer av kraftappliceringstekniker inklusive:

1. Mikropipettaspiration använder applicerat sugtryck med en glaspipett med liten diameter. Mätningen av längden av aspiration orsakad av sugtrycket kan avslöja flera cellmekaniska egenskaper.
2. Cantilever-manipulation fungerar genom en magnetisk, elektrisk eller mekanisk interaktion mellan en sond och cellens yta som avger en signal som kan användas för att mäta mekaniska egenskaper.
3. Optiska tekniker involverar användningen av fångade fotoner för att manipulera celler. Fotonerna kommer att ändra riktning baserat på cellens brytningsindex, vilket kommer att orsaka en förändring i momentum, vilket leder till en kraft som appliceras på cellen .
4. Mekaniska tekniker använder inkorporering av ferromagnetiska pärlor i cellen eller fästa till specifika receptorer på cellen. När en magnetisk kraft appliceras kan sträckningen av membranet mätas för att beräkna mekaniska egenskaper.
5. Substrat strain mäter elasticiteten genom att sträcka cellen. Cellens elasticitet ger information som kan bestämma rörlighet och vidhäftning .
6. Kompression kräver användning av applicerat tryck på hela cellen. Genom att beräkna förändringarna av cellens form är kompression ett sätt att mäta mekaniska reaktioner på kraft.
7. Flödesteknik använder Reynolds nummer , ett dimensionslöst tal inom vätskemekanik, för att särskilja om cellen är föremål för laminärt, övergångs- eller turbulent flöde.
8. Akustisk kraftspektroskopi kan användas för att extrahera mekaniska egenskaper hos enstaka celler.

Kraftavkänning

1. Skrynkliga membran kräver att cellen placeras i ett flexibelt silikonhölje. När cellen drar ihop sig kan storleken på krafterna uppskattas genom att använda längden och antalet rynkor.
2. Dragkraftsmikroskopi upptäcker deformationer genom jämförelse av bilder rörelsen av fluorescerande pärlor som har fästs vid cellen.
3. Fribärande avkänning kan detektera ytspänningar med infästning av mikromekaniska balkar i ena änden av cellen.
4. Bioreaktorer tillåter mätning av flercelliga krafter i ett tredimensionellt system, medan externa krafter appliceras samtidigt. Detta möjliggör bättre resultat och mer exakta data från komplexa experiment.
5. När vidhäftande celler exciteras av akustiska vågor börjar de generera akustiskt mikroströmningsflöde. Hastighetens storlek för detta flöde nära cellmembranet är direkt proportionell mot styvheten (dvs. elasticitetsmodulen) hos cellen.

Forskning

Forskare som studerar cellmekanik är intresserade av mekaniken och dynamiken i de sammansättningar och strukturer som utgör cellen inklusive membran, cytoskelett , organeller och cytoplasma , och hur de interagerar för att ge upphov till de framväxande egenskaperna hos cellen som helhet.

Ett särskilt fokus för många cellmekaniska studier har varit cytoskelettet, som (i djurceller ) kan tros bestå av:

1. aktomyosinsammansättningar ( F-aktin , myosinmotorer och associerade bindande, kärnbildande, täckande, stabiliserande och tvärbindande proteiner),
2. mikrotubuli och deras associerade motorproteiner ( kinesiner och dyneiner ),
3. mellanliggande filament ,
4. andra sammansättningar såsom spektriner och septiner .

De aktiva icke-jämvikts- och icke-linjära reologiska egenskaperna hos cellulära sammansättningar har varit en viktig forskningspunkt på senare tid. En annan punkt av intresse har varit hur cellcykelrelaterade förändringar i cytoskelettaktivitet påverkar globala cellegenskaper, såsom intracellulär tryckökning under mitotisk cellavrundning .

Se även

• Elasticitet hos cellmembran