【成果】Physics World专题报道李辉教授等发现细胞内准二维扩散的工作

来源:作者:李辉 发布时间:2020-08-12 浏览次数:1685

近日,关注世界物理科学重要进展的英国物理学会杂志《Physics World》以“Quantum dots track two-dimensional diffusion in cells”为题,专题报道了我院李辉教授等实验发现细胞内准二维扩散的工作。(https://physicsworld.com/a/quantum-dots-track-two-dimensional-diffusion-in-cells/)

该工作最初发表于Chinese Physics Letters(CPL)的Express Letters栏目,题为“Quasi-Two-Dimensional Diffusion in Adherent Cells Revealed by Three-Dimensional Single Quantum Dot Tracking” (http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/37/7/078701 )

应CPL编辑部邀请,北京师范大学系统科学学院的陈晓松教授为该工作撰写了点评文章“Strong Anisotropy of 3D Diffusion in Living Cells”(http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/37/8/080103

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生物大分子在细胞内的扩散是生命活动的重要基础,在代谢、信号传导、分化以及物质运输等方面中起到关键作用。同时,扩散也反应了细胞内的拥挤程度以及亚细胞结构等微环境特征,提供了一种探索细胞内物理性质的有效途径。因此,细胞内的扩散动力学长久以来受到物理、生物、化学等领域的广泛关注。值得注意,在过去三十多年的实验测量及相关研究中,人们主要借助二维成像等方法来测量细胞内生物分子的扩散特征,并基于一个十分重要的假设——细胞内的扩散为三维各向同性。然而,上述假设的真实性、以及生物大分子在细胞内的三维扩散动力学并不清楚,缺乏直接的实验测量结果。 

北京师范大学系统科学学院的李辉教授与中科院物理研究所的王鹏业研究员等合作,首次实验发现了细胞内的准二维扩散现象。首先,为测量细胞内单个分子在三维空间的扩散,研究人员利用衍射环来测定荧光点的轴向位置(z方向),搭建了一台三维单颗粒荧光跟踪显微镜,实现了细胞内单分子水平的横向27 nm(x,y)和轴向35 nm(z)高空间分辨,以及毫秒级的高时间分辨动态成像(图1)。该系统的高时空分辨能力是追踪活细胞中生物大分子快速扩散的关键。然后,将单量子点荧光探针导入细胞质并跟踪,首次发现了贴壁细胞中量子点的扩散主要发生在xy平面上,其z方向的扩散速度及空间范围显著低于xy方向,即呈现出准二维扩散的特征(图2)。随后,研究人员进一步使用药物分别破坏了多种亚细胞结构,发现微管和微丝两种细胞骨架对于细胞内的准二维扩散影响很小。对于另一种广泛分布的细胞器内质网,尽管破坏其结构在一定程度上减弱了z方向扩散的受限性,然而并没有本质上改变细胞内量子点的准二维扩散特征。研究表明准二维扩散是贴壁细胞内生物大分子的一种稳定输运模式(图3和4)。

该工作证明了细胞内的扩散并非各向同性,生物大分子更倾向于在xy二维平面内运动。同时,准二维扩散揭示了细胞内结构的异质性特征。实验所采用的A549细胞(人肺癌细胞系)属于普遍的贴壁细胞,其内部细胞器等亚细胞结构沿细胞铺展方向(xy平面)分布,多种细胞器很可能共同构成了复杂的层状结构,从而导致生物大分子在这些层状结构之间的准二维扩散行为。

细胞是一个由分子、蛋白和细胞器所构成的复杂系统,其内部多组分的协调运作赋予了细胞的生物功能和行为。从细胞内的扩散动力学出发,该工作增进了当前对于细胞迁移机制的理解。贴壁细胞迁移(爬行)过程中,细胞后端的微丝结构不断发生解聚,并以微丝单体或寡聚体形式输运至细胞前端,参与新的微丝聚合。准二维扩散有助于提高微丝单体或寡聚体在细胞迁移方向的输运效率,缩短了从细胞后端到前端的搜索时间,从而促进了细胞前端的微丝聚合,实现细胞的快速迁移。

该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院青促会、中央高校基本科研业务费专项资金等经费的支持。

 

图1.实验装置示意图及定位精度


图2.细胞内单个量子点探针的三维扩散轨迹及动力学分析


 

图3.不同条件下的细胞内量子点扩散动力学


图4.不同条件下,细胞内扩散在xy平面和z方向的扩散系数D及扩散指数ɑ的密度分布图。