《細胞骨架微管力化學耦合動態行為的理論與數值研究》是依託清華大學，由馮西橋擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：細胞骨架微管力化學耦合動態行為的理論與數值研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：馮西橋
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為細胞骨架的一種主要組成單元，微管在細胞的生命活動中至關重要，也與多種疾病密切相關。本項目將基於微管複雜而精巧的幾何結構，對其在不同生理條件下的力化學耦合動態行為進行理論分析和數值模擬。首先，根據統計力學和熱力學，建立描述微管力化學耦合動態行為的理論框架。並以此為基礎，進一步考慮微管的微觀結構及其在動態演化過程中化學能和彈性變形能的相互轉化，建立微管的粗粒化分子計算模型。利用該模型，研究微管的加聚和解聚行為，揭示微管動態行為的物理機制。進而在理論模型中引入微管結合蛋白（如正端跟蹤蛋白）、離子濃度、外載入荷等，分析這些因素對微管動態行為的影響，從而理解在不同生理條件下微管動態行為的差異。此外，將統一微管的形核過程與後續的加聚和解聚過程，實現對微管生長全過程的模擬。本項研究將有助於理解微管的結構-性能-功能之間的內在聯繫，對於細胞有絲分裂、纖毛鞭毛的運動等問題的研究也有一定的幫助。
結題摘要
細胞微管和微絲的動態力學行為在微觀尺度上涉及多種力化學耦合過程，微管蛋白和微管自身的生化狀態與其精細的幾何結構、分子構象存在著複雜的相關性，涉及化學結合能、彈性變形能等能量的演化機制，進而決定著微管的力學行為、細胞骨架的變形以及整個細胞的粘附、鋪展等生物學過程。綜合考慮微管和微絲的微納結構、力化學特性和動態特性，建立了微管的力學模型和計算方法，揭示了微管構型與能量演化的基本特徵。本項目對微管及其細胞骨架的多場耦合動力學問題開展了比較系統的研究。 首先，針對細胞骨架微管力化學耦合的動態行為，建立了一個粗晶化模型。該模型考慮了GTP水解等化學因素的影響，能刻畫微管在生長過程中的形貌和能量演化，據此確定了微管生長的穩定性機制。 其二，基於Lifeact 與Utr230，開展了微管、微絲肌動蛋白組裝的實驗研究。證明了NIH3T3、MDCK、Hela和原代MEF細胞中的微絲狀結構是由於細胞內肌動蛋白聚集而成的。構建了lifeact-AcGFP-NLS載體，發現了肌動蛋白在細胞核內的組裝。 其三，建立了一個研究細胞微管、微絲骨架回響循環載荷的張拉整體動力學模型。發現細胞在雙軸靜態載入條件下，細胞骨架沿著最大載入幅值方向排布。而雙軸循環載入條件下，細胞方位與載入頻率、雙軸的載入幅值比等有關，並給出了相應的解析數學表達式。 第四，發展了描寫細胞粘附的力化學耦合模型。通過實驗證明了整合素內吞在細胞粘附中的重要作用。基於實驗結果，建立了一個基於分子機制的細胞粘附力學模型，可以反映基底彈性對整合素狀態以及細胞粘附的影響。
