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使用计算建模和实验技术的组合,一个研究小组已经开发了新的信息细胞间的沟通如何影响胚胎干细胞的分化殖民地。通过提供新的信息沟通的角色在细胞中,这项研究可能会导致更好的理解从殖民地独立的细胞的多细胞瀑样是如何形成的。的信息可能会导致新的控制方法多细胞结构发展,可以应用于再生医学,药物测试和其他的研究领域。
研究结果从乔治亚理工学院和格莱斯顿之间的合作机构,和10月5日在《自然》杂志上报道了通信。美国国家科学基金会(NSF)的紧急行为综合细胞系统科学和技术中心(EBICS)支持这项研究。
“我们的目标是控制这样一个系统的细胞直接组织承担不同的表型,发展成不同的复杂混合物,并自组装和进入非常复杂的结构,”梅丽莎·坎普说,副教授在华莱士·h·库尔特生物医学工程系乔治亚理工大学和艾莫利大学。”为开发组织可以作为代理人为筛选药物或最终植入治疗的目的,我们需要如何妥善控制和直接。”
科学家认为,干细胞分化的模式影响什么样的细胞最终将出现分化的过程。
尽管当地的细胞间相互作用的重要性在不断发展的多细胞系统中,整个系统一直知之甚少如何调节其形态的过程。更多地了解这一点,论文的第一作者,乍得格伦,研究了相邻细胞之间的沟通告知这些细胞的命运。理解这种沟通之外,格伦发现了一个潜在的机制“制动”分化的速度而不影响整体的模式产生的多细胞组织。
”之间的协调细胞紧密耦合的给了我们一个了解它们是如何工作作为一个群体,”托德·麦克德维特说,格莱斯顿研究所的资深研究员,生物工程和治疗科学教授在加州大学,旧金山。“这反映了一个团队与个人的行为。他们真的协调活动以快速的方式。这项研究显示了如何快速一些重要的细胞行为是由缝隙连接通讯。”
格伦,佐治亚理工学院的博士毕业,开始项目通过研究对相邻细胞之间的沟通,已允许小分子进入毛孔。通过引入信号分子变成殖民地包含数以百计的这些均匀老鼠干细胞,研究人员观察到分化始于单个细胞的变化。细胞触发模式的区别,流经细胞,最终导致整个蚁群的变化。
在更大的规模和在三维空间中,这种变化导致身体器官的发展。了解至极的事情可以是controlled-could是如何指导这种转变从单个细胞的关键。
根据实验观察,格伦过程的开发了一个模型,允许研究人员研究的一系列相互关联的变量的影响的实验研究是不可能的。几百单个细胞导致特定的建模预测,然后研究人员通过实验测试。
理解和测量细胞通讯过程中,研究人员使用一种荧光染料显示当信号分子从一个细胞移动到邻国。然后他们使用激光漂白染料从单个细胞。测量了多长时间要替换的染料显示细胞的渗透膜和细胞是如何与邻国进行沟通。
“如果你杀死细胞,它立即返回绿色,你知道有很多流动性和细胞膜之间的相声,”坎普解释道。“如果你杀死细胞,保持黑暗,细胞是有效地孤立和没有沟通与邻国。”
通过部分阻断细胞之间的沟通,否则干扰通信、研究者放缓分化过程但是并没有改变其模式。“我们能够改变细胞行为的方式减缓down-effectively“制动”过程,并同时保持空间信息,”坎普说。“细胞是在48小时内过程可能看起来像24小时细胞。”
计算模型和实验的结合让研究小组得出答案,无论是技术本身可以提供,麦克德维特指出。
“通过建模,可以研究一套更大的比我们可以实验条件和参数,”他说。”模型可以预测,我们可以回去研究实验看到这些条件如何影响行为。的行为我们测量实验与计算机预测,和我们有一个健壮的模型进行验证。”
化和坎普一直在研究这个系统的胚胎干细胞好几年了,和新的研究移动接近一个更完整的理解复杂的系统。
“我们已经证明了在一系列的论文在过去的六年里,这个系统可以建模的复杂性,”他说。“这篇论文代表了一个进一步向更大的集成信息系统的目标。每一个步骤,我们更接近潜在的控制这些系统到一个更大的飞跃。”
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