科学家们发现毁灭性的儿童疾病 - 朗格汉斯细胞组织细胞病的起源

科学家们发现毁灭性的儿童疾病-朗格汉斯细胞组织细胞病的起源朗格汉斯细胞组织细胞增生症（LCH）是一种罕见的、类似癌症的疾病，影响称为朗格汉斯细胞的细胞。这些细胞存在于皮肤、骨骼和其他器官中，并在免疫系统中发挥着关键作用。在LCH中，这些细胞变得不正常并在身体的各个部位形成肿瘤。在瑞典，平均每年有5-10名儿童被诊断为LCH，最常见的是在10岁之前。LCH是一种在免疫细胞中发生癌变的疾病，而免疫细胞通常在检测和消除癌细胞方面起作用。LCH细胞的起源已经讨论了几十年。卡罗林斯卡学院医学生物化学和生物物理学系的医生和研究员、这项新研究的第一作者EgleKvedaraite说："一些研究人员确信LCH来自于某种类型的免疫细胞，称为树突状细胞，而另一些人则认为它们来自于相关的细胞，称为单核细胞。“”卡罗林斯卡学院的研究人员与来自新加坡免疫学网络和纽卡斯尔大学的科学家一起，现在已经能够证明这两种理论都接近事实。研究人员结合了所谓的单细胞测序、样本的显微镜以及对从卡罗林斯卡大学医院等处招募的病人的细胞进行追踪。他们发现，变异的LCH细胞具有与单核细胞和树突状细胞类似的特性，以及一种相对新发现的树突状细胞类型，即所谓的树突状细胞3型（DC3）。"今天我们知道DC3有一个独立的发展途径，与其他树突状细胞和单核细胞分开，对这一点的了解对我们的研究至关重要，"EgleKvedaraite说。研究人员发现，不同类型的细胞可以相互沟通，促进LCH的发展，从而产生自我强化的效果。"在LCH的治疗方案中，靶向治疗可以成功应用，但当靶向治疗停止时，疾病就会复发。这给患者带来了严重的挑战，因为考虑到副作用，对儿童进行终身治疗并不是一个好的选择，"EgleKvedaraite说。对这种类型的癌症起源的这种新认识有可能有助于开发新的旨在消除病理细胞的靶向治疗方法。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343853.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343853.htm

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学开源超级计算机算法可预测活体材料的形态和动态，并能研究它们在空间和时间上的行为。生物材料由单个部件组成，包括将燃料转化为运动的微小电机。这就产生了运动模式，材料通过不断消耗能量，以连贯的流动塑造自身。这种持续驱动的材料被称为"活性物质"。细胞和组织的力学可以用活性物质理论来描述，该理论是理解生命物质的形状、流动和形态的科学框架。活性物质理论由许多具有挑战性的数学方程组成。德累斯顿马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）、德累斯顿系统生物学中心（CSBD）和德累斯顿工业大学（TUDresden）的科学家们现已开发出一种算法，并在开源超级计算机代码中实施，首次可以在现实场景中求解活性物质理论方程。这些解决方案使我们离解开细胞和组织如何获得其形状这一世纪之谜以及设计人造生物机器又近了一大步。活性物质在类似分裂细胞几何形状中的三维模拟。资料来源：辛格等人，《流体物理学》（2023年）/MPI-CBG生物行为和理论的复杂性生物过程和行为通常非常复杂。物理理论为理解它们提供了一个精确的定量框架。活性物质理论为理解和描述活性物质的行为提供了一个框架，活性物质是由能够将化学燃料（"食物"）转化为机械力的单个成分组成的材料。德累斯顿的几位科学家在这一理论的发展过程中发挥了关键作用，其中包括马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长弗兰克-尤利歇尔（FrankJülicher）和马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长斯蒂芬-格里尔（StephanGrill）。有了这些物理学原理，就可以用数学方程来描述和预测活性生命物质的动力学。然而，这些方程极其复杂，难以求解。因此，科学家需要借助超级计算机的力量来理解和分析生命物质。预测活性物质行为的方法多种多样，有的侧重于微小的单个粒子，有的研究分子水平的活性物质，还有的研究大规模的活性流体。这些研究有助于科学家了解活性物质在不同空间尺度和时间范围内的行为。解决复杂的数学方程德累斯顿工业大学德累斯顿系统生物学中心（CSBD）教授、马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）研究组组长、德累斯顿工业大学计算机科学学院院长伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）研究小组的科学家们现在已经开发出一种计算机算法，可以求解活性物质的方程。他们的研究成果发表在《流体物理学》（PhysicsofFluids）杂志上，并登上了封面。他们提出的算法可以在三维空间和复杂形状的空间中求解活动物质的复杂方程。该研究的第一作者之一、数学家阿比纳夫-辛格（AbhinavSingh）说："我们的方法可以处理三维空间中随时间变化的不同形状。即使数据点不是规则分布的，我们的算法也采用了一种新颖的数值方法，可以无缝地处理复杂的生物现实场景，准确地求解理论方程。利用我们的方法，我们最终可以了解活性材料在移动和非移动情况下的长期行为，从而预测其动态。此外，该理论和模拟还可用于对生物材料进行编程，或在纳米尺度上制造发动机，以提取有用功"。另一位第一作者菲利普-苏尔克（PhilippSuhrcke）毕业于德累斯顿工业大学的计算建模与仿真理学硕士课程，他补充说："得益于我们的工作，科学家们现在可以预测组织的形状或生物材料何时会变得不稳定或失调等，这对理解生长和疾病的机理具有深远影响。"人人可用的强大代码科学家们使用开源库OpenFPM实现了他们的软件，这意味着其他人可以免费使用。OpenFPM由Sbalzarini小组开发，旨在实现大规模科学计算的民主化。作者首先开发了一种自定义计算机语言，允许计算科学家通过用数学符号指定方程，让计算机来创建正确的程序代码，从而编写超级计算机代码。因此，他们不必在每次编写代码时都从头开始，从而有效地将科学研究中的代码开发时间从数月或数年缩短到数天或数周，极大地提高了工作效率。由于研究三维活性材料的计算需求巨大，新代码可以在共享和分布式内存多处理器并行超级计算机上扩展，这要归功于OpenFPM的使用。虽然该应用程序是为在功能强大的超级计算机上运行而设计的，但它也可以在研究二维材料的普通办公计算机上运行。这项研究的首席研究员伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）总结道："我们经过十年的研究，终于创建了这个模拟框架，并提高了计算科学的生产力。现在，这一切都汇聚到一个工具中，用于了解生命材料的三维行为。我们的代码具有开源性、可扩展性和处理复杂情况的能力，为活性材料建模开辟了新的途径。这可能最终会让我们了解细胞和组织是如何形成的，从而解决困惑科学家几个世纪的形态发生这一根本问题。但它也可能帮助我们设计出元件数量最少的人造生物机器。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399609.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399609.htm

科学家发现自然界最大细胞中神秘漩涡运动的起源

科学家发现自然界最大细胞中神秘漩涡运动的起源最新研究揭示了卵细胞中"漩涡状"流动背后的自然机制，这种流动对营养物质的高效分配至关重要。这些发现是通过先进的建模和实验方法实现的，为细胞运输提供了新的见解，并可能影响更广泛的生物学研究。模拟微管如何弯曲并引导成熟卵细胞中的物质形成旋涡状流动的快照。图片来源：S.Dutta等人科学家们早就知道，成熟的卵细胞（称为卵母细胞）会在内部产生类似旋涡的液流来运输营养物质，但这些液流是如何产生的一直是个谜。现在，Flatiron研究所的计算科学家与普林斯顿大学和西北大学的合作者共同领导的研究揭示了这些流动--看起来就像微型龙卷风--是由一些细胞成分的相互作用有机产生的。他们的研究成果发表在四月号的《自然-物理》（NaturePhysics）杂志上，他们利用理论、先进的计算机建模和果蝇卵细胞实验揭示了龙卷风的力学原理。这些成果有助于科学家们更好地理解有关卵细胞发育和细胞运输的基础问题。"我们的发现代表了这一领域的一大飞跃，"共同作者、Flatiron研究所计算生物学中心（CCB）主任迈克尔-谢利（MichaelShelley）说。"我们能够应用多年来从其他研究中获得的先进数值技术，这让我们能够比以往更好地看待这个问题。"在一个典型的人体细胞中，一个典型的蛋白质分子通过扩散从细胞的一侧蜿蜒到另一侧只需要10到15秒；而在一个小型细菌细胞中，这一过程只需要一秒钟。但在本文研究的果蝇卵细胞中，单是扩散就需要一整天的时间--这对细胞的正常功能来说时间太长了。相反，这些卵细胞发展出了"旋风流"，它在卵细胞内部盘旋，迅速分配蛋白质和营养物质，就像龙卷风能把物质卷起并移动到比风更远更快的地方一样。在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S.Dutta等人"受精后，卵母细胞将成为未来的动物，"该研究的合著者、普林斯顿大学和中央研究院的研究员萨扬坦-杜塔（SayantanDutta）说。"如果破坏了卵母细胞中的流动，所产生的胚胎就不会发育"。研究人员使用了Flatiron研究所研究人员开发的一款名为SkellySim的先进开源生物物理学软件包。通过SkellySim，他们模拟了参与制造细胞的成分。其中包括微管--细胞内部的柔性细丝--和分子马达，分子马达是作为细胞工作母机的特化蛋白质，携带着被称为有效载荷的特殊分子组。科学家还不太清楚这些有效载荷是由什么组成的，但它们在产生气流中起着关键作用。研究人员模拟了数以千计的微管在载荷分子马达的作用力下的运动。通过在实验和模拟之间来回切换，研究人员得以了解旋流的结构，以及它们是如何从细胞液和微管之间的相互作用中产生的。"我们的理论工作使我们能够放大并以三维方式实际测量和可视化这些旋涡，"该研究的合著者、CCB研究科学家RezaFarhadifar说。"我们看到了这些微管如何在没有任何外部线索的情况下，通过自组织产生大规模流动。"在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S.Dutta等人模型显示，在卵母细胞内部，微管在分子马达的作用下发生弯曲。当微管在这种负荷下屈曲或弯曲时，会导致周围液体移动，从而使其他微管重新定向。在一个足够大的弯曲微管群中，所有微管都朝同一方向弯曲，流体流动就会变得"合作"。随着微管的集体弯曲，移动的有效载荷在整个卵子中形成漩涡或漩涡状流动，帮助分子分散到细胞周围。有了漩涡，分子可以在20分钟而不是20小时内穿过细胞。谢利说："该模型显示，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，能够创造出这种功能性流动。而只需要一些成分--只有微管、细胞的几何形状和携带有效载荷的分子马达。"这些新发现为更好地了解卵细胞的发育奠定了基础。这些结果还有助于揭开其他细胞类型中物质运输的神秘面纱。"既然我们知道了这些漩涡是如何形成的，我们就可以提出更深层次的问题，比如它们是如何混合细胞内的分子的？这开启了理论与实验之间的新对话。"法哈迪法尔说。"这项新研究让人们对微管有了全新的认识。微管在植物和动物等几乎所有真核生物的各种细胞类型和细胞功能（如细胞分裂）中发挥着核心作用。这使它们成为"细胞工具箱中非常重要的一部分"，Dutta说。"通过更好地理解它们的机制，我认为我们的模型将有助于推动细胞生物物理学中许多其他非常有趣的问题的发展"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428137.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428137.htm

约翰霍普金斯大学的科学家们设计出能打破对称的合成细胞

约翰霍普金斯大学的科学家们设计出能打破对称的合成细胞艺术家们利用显微镜图像和图形渲染，展示了一个能够感知定向化学线索并自我组织响应的最小合成细胞。图片来源：约翰-霍普金斯大学医学院井上实验室，由ShivaRazavi和TurhanPathan创作，经编辑了解对称性破坏细胞运动之前的一个步骤是打破对称，当细胞分子最初对称排列时，通常在受到刺激后重组为不对称的模式或形状。这类似于迁徙的鸟类在对阳光或地标等环境指南针做出反应时转变为新的队形，从而打破对称。在微观层面上，免疫细胞会感知集中在感染部位的化学信号，并打破对称，穿过血管壁到达受感染的组织。当细胞打破对称性时，它们会转变为极化和不对称结构，为向目标移动做好准备。"对称性破缺的概念对生命至关重要，影响着生物学、物理学和宇宙学等多个领域，"在约翰-霍普金斯大学攻读研究生时领导这项研究的希瓦-拉扎维（ShivaRazavi）博士说，他在约翰霍普金斯大学攻读研究生时领导了这项研究，现在是麻省理工学院的博士后研究员。"了解对称性破缺是解开生物学基本原理和发现如何利用这些信息来设计治疗方法的关键。"长期以来，人们一直认为找到在合成细胞中模仿和控制对称性破坏的方法对于了解细胞如何检测其化学环境并重新排列其化学轮廓和形状至关重要。在这项研究中，科学家们创造了一个带有双层膜的巨大囊泡--一个由磷脂、纯化蛋白质、盐和提供能量的ATP组成的裸体简化合成细胞或原细胞。原细胞呈球形，因此被昵称为"泡泡"。在实验中，科学家们成功地设计出了具有化学感应能力的原细胞，它能促使细胞打破对称性，从一个近乎完美的球体变成一个凹凸不平的形状。研究人员说，该系统专门设计用于模仿免疫反应的第一步，能够根据中性粒细胞感知到的周围蛋白质发出攻击病菌的信号。拉扎维说："我们的研究展示了类细胞实体如何能够感知外部化学线索的方向，模拟生物体内的条件。通过从零开始构建类细胞结构，我们可以更好地识别和理解细胞以最简化的形式打破对称性所需的基本组成部分。"给药领域的未来应用科学家们说，有朝一日，化学传感可用于体内靶向给药。约翰-霍普金斯大学医学院细胞生物学教授、细胞动力学中心主任、资深作者井上隆成（TakanariInoue）博士说："我们的想法是，可以把任何你想要的东西--蛋白质、RNA、DNA、染料或小分子--打包到这些气泡中，利用化学传感告诉细胞该去哪里，然后让细胞在预定目标附近破裂，这样药物就能被释放出来。"为了激活囊泡的化学感应能力，研究人员在合成细胞中植入了两种作为分子开关的蛋白质--FKBP和FRB。蛋白质FKBP被置于细胞中心，而FRB则被置于细胞膜上。当科学家们在气泡细胞外引入一种化学物质--雷帕霉素时，FKBP就会移动到细胞膜上与FRB结合，从而引发一种叫做肌动蛋白聚合的过程，也就是合成细胞骨架的重组。在原细胞内部，化学反应产生了由肌动蛋白组成的杆状结构，对细胞膜施加压力，使其弯曲。研究人员使用了一种名为共聚焦显微镜的专门快速三维成像技术来记录原细胞的化学感应能力；他们必须以每15到30秒一帧的速度快速记录图像，因为原细胞会对化学信号做出快速反应。下一步，研究人员的目标是让这些合成细胞具备向所需目标移动的能力。最终，研究人员希望设计出的合成细胞能在靶向药物输送、环境传感以及其他需要精确移动和对刺激做出反应的领域中发挥重要的潜在应用。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434518.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434518.htm

科学家将癌细胞变成逻辑门以揭开其运动的秘密

科学家将癌细胞变成逻辑门以揭开其运动的秘密多年来，机械工程教授BumsooHan和他的研究小组一直在研究癌细胞。他建立了微流体结构来模拟它们的生物环境；他甚至用这些结构建立了一个"时间机器"来逆转胰腺癌细胞的生长。"在我们的实验中，我们一直在观察和研究这些癌细胞如何迁移，因为这是癌症转移的一个重要方面，"Han团队的博士后研究人员Hye-ranMoon说。"但这是不同的。我们正试图解决这些行为背后的基本机制。而这是非常具有挑战性的，因为细胞是非常复杂的分子系统，而且它们会接触到导致它们移动的多种线索。"这些线索之一涉及化学线索，许多细胞天生就被吸引（很像蚂蚁追寻气味线索）。另一个是液体流动；如果液体在细胞周围朝某个方向流动，许多细胞就会顺势而行。因此，如果一个细胞在移动，怎么能知道它是由化学物质、液体运动或两者共同驱动的呢？该团队采用了一个三元逻辑门模型来分析这些线索，并预测细胞在不同环境下会如何移动。他们的研究已经发表在《芯片实验室》（LabonaChip）上，这是英国皇家化学学会的一份期刊。他们的实验是在一个微流控平台上进行的，该平台有一个中心室供细胞使用，还有两个侧面平台。使用这个设备，他们可以复制一个方向的液体流动，也可以复制相反方向的流动，或者根本不流动。他们还可以引入一种已知的化学物质，使细胞迁移。同样，他们可以选择朝一个方向、相反的方向或完全没有方向的趋化作用。这两种线索会相辅相成，还是相互抵消？有了两个线索和三个选择，就有足够的可观察数据来建立一个三元逻辑门模型。逻辑门是一种来自计算的构造，晶体管接受1或0的输入并返回1或0的输出。二元逻辑门接受两个1和0的组合，并根据它是哪种门而输出不同的结果。三元逻辑门做同样的事情，只是有三个可能的输入和输出。1、0和-1。穆恩对细胞在两种不同刺激下的移动方向进行了赋值。如果细胞在流动的方向上移动，那就是1。如果它们没有方向性，那就是0。如果它们朝与流动相反的方向移动，那就是-1。当细胞单独遇到化学品或液体流动时，它们向正方向移动（"1"）。当两者在同一方向出现时，其影响是相加的（仍然是"1"）。然而，当两者的流动方向相反时，细胞向化学品的方向移动（"-1"），而不是向液体流动的方向移动。基于这些观察，穆恩推断出一个3×3的网格来简化结果。这些癌细胞的线索现在可以被绘制成图表，就像电气工程师绘制电路图一样。当然，现实世界从来没有那么简单。"Moon说："实际上，化学刺激是一个梯度，而不是一个开关。细胞只有在引入一定的流量阈值后才会移动；如果你引入太多，细胞就会短路，根本不会移动。我们能够预测这种运动的准确性是一种非线性关系。"穆恩还强调，这个特定的实验非常简单：两个刺激，方向严格相反，在一个单一维度上。下一步将是建立一个类似的实验，但在一个二维平面中；然后在一个三维体积中建立另一个。而这只是开始；一旦施加了多个刺激，并将时间作为第四维的因素，计算就会变得非常复杂。"现在你明白为什么生物学家需要使用超级计算机了！"穆恩说。"这是一个完美的例子，说明微流控设备可以用于癌症研究，"穆恩说。"在生物环境中做这个实验将是非常困难的。但是有了这些设备，我们可以直接深入到单个细胞，在受控环境中研究它们的行为。""这个模型可以适用于远远超过物理上的癌细胞，任何细胞都会受到不同线索的影响，这为研究人员提供了一个框架，以研究这些影响并确定它们发生的原因。遗传工程师也接受了逻辑门模型，将基因视为能产生不同结果的处理器。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343805.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343805.htm

我国科学家在世界上首次观察到引力子的 “投影”

我国科学家在世界上首次观察到引力子的“投影”记者从南京大学获悉，该校物理学院杜灵杰教授率领的国际科研团队，在量子物理领域取得重大进展，首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”。相关论文28日在线发表于国际学术期刊《自然》。杜灵杰介绍，引力子和引力波对应，后者已经被实验所证实，而引力子尚未被直接观察到。“引力子是广义相对论与量子力学理论相结合的产物，如果能证实这种神秘粒子存在，可能有助于实现两大理论的统一，这对当代物理学而言意义重大。”