Biologie, na úrovni motorických proteinů, DNA a mikrotubulů, vychází z fyziky. Vezměme si například fázi mitózy buněčného dělení: dvě identické sady DNA z rodičovské buňky musí být dokonale rozděleny a rozděleny do dvou nových dceřiných buněk. Je to fyzický akt a buněčná struktura, která to dělá, mitotické vřeteno, je stroj, který k dokončení úkolu používá mechanické síly – tlak, tah a odpor.
Stejně jako většina strojů může mitotické vřeténko selhat, a když se tak stane, DNA se může rozbít nebo nerovnoměrně rozdělit, což jsou chyby spojené s nekontrolovaným dělením buněk rakoviny. Ale zatímco je mnoho známo o biologických složkách, které tvoří mitotické vřeténo, výzkumníci jako Scott Forth teprve začínají zkoumat fyzikální síly mezi těmito složkami.
"Mitotické vřeteno je komplikovaný, dokonale vyvážený stroj," řekl Forth, kvantitativní biolog, který nedávno nastoupil do Rensselaerova polytechnického institutu jako odborný asistent biologických věd a člen Centra pro biotechnologie a interdisciplinární studia. "Máme seznam dílů pro většinu zúčastněných strojů, ale nechápeme, jak to všechno do sebe zapadá, aby fungovalo hladce. Moje práce se snaží pochopit - jaké jsou ty síly?"
Ve svém výzkumu používá Forth techniku optického zachycení ke kvantifikaci sil vyvíjených složkami buněčných struktur, jako je mitotické vřeténka.
Mnoho klíčových buněčných procesů závisí při provádění funkcí na fyzické souhře mezi biologickými složkami."Seznam součástek" v těchto procesech je podobný: Mikrotubuly, polotuhé proteinové trubice, mohou v buňce sloužit jako lešení, vozovky a stavební materiál pro strojní zařízení; některé proteiny slouží jako spojovací prostředky, váží a uvolňují jiné materiály; a motorické proteiny využívají chemickou energii k tlačení a tahání materiálů podél mikrotubulů nebo k pohybu samotnými mikrotubuly.
K vytvoření mitotického vřeténka se dvě organely zvané centrosomy přesunou do polohy na opačných stranách dvou identických sad chromozomů nahromaděných blízko středu buňky. Z každého z centrosomů je sestavena hustá síť mikrotubulů, která sahá směrem k a kolem hmoty chromozomů. Některé z mikrotubulů se připojují k chromozomům, zatímco jiné spojují dva centrosomy a vytvářejí klec kolem chromozomů. V ideálním případě se mikrotubuly z každého centrosomu spojují výhradně s jedním z každého chromozomu v sadě. Poté se mikrotubuly – za pomoci proteinů a motorických proteinů – začnou zkracovat a pohybovat, přitahujíce chromozomy směrem k centrozomům, dokud se tyto dvě sady neoddělí.
Aby se dozvěděl více o mechanice, Forth zkoumá síly působící v podsekcích vřetena pomocí jednoduchých „stavebních bloků“složených z jediného typu proteinu a mikrotubulů. Například protein PRC1 se váže s mikrotubuly, vytváří svazky mikrotubulů a mezi nimi příčné vazby. PRC1 funguje společně s motorickým proteinem, který klouže mikrotubuly, a PRC1 zpomaluje pohyb tohoto sklíčka odporem. Pokud je PRC1 vyřazen z místa, chromozomy se od sebe budou příliš rychle pohybovat, což zmaří složité načasování mitózy.
"V tomto jednoduchém systému máme tlačnou i odporovou sílu a otázka zní - jak se tyto síly sčítají, aby se mikrotubuly pohybovaly správnou rychlostí?" řekl Forth. "Tohle je něco, co můžeme změřit v mé laboratoři."
Za tímto účelem využívá Forth vztah mezi polystyrenovou kuličkou a laserovým světlem. Když je paprsek světla zaostřen na polystyrenovou kuličku, kulička se polarizuje a je přitahována k poli světelného paprsku. Jakýkoli pokus posunout perličku z pozice ohne světlo a světlo zase tlačí zpět na perličku. Změny směru světla lze měřit fotodetektorem a převést na míru fyzické síly. Připojením buněčných struktur – jako PRC1 a sestava mikrotubulů – k polystyrénové kuličky a umožnění fungování struktury, může Forth měřit fyzickou sílu generovanou strukturou.
"Cílem je vytvořit klíčové prvky vřetena a změřit tyto síly," řekl Forth. "Můžeme sledovat a vidět, co se děje s danou sadou proteinů, a může nám pochopení mechaniky pomoci pochopit, jak buňka funguje? To je cíl."
V Rensselaer tento výzkum naplňuje vizi The New Polytechnic, vznikající paradigma pro vysokoškolské vzdělávání, které uznává, že globální výzvy a příležitosti jsou tak složité, že je nedokáže řešit ani ten nejtalentovanější člověk pracující sám. Rensselaer slouží jako křižovatka pro spolupráci – spolupracuje s partnery napříč obory, sektory a geografickými regiony při řešení globálních výzev – a řeší některé z nejnaléhavějších světových technologických výzev, od energetické bezpečnosti a udržitelného rozvoje po biotechnologie a lidské zdraví. Nová polytechnika je transformační v globálním dopadu výzkumu, ve své inovativní pedagogice a v životech studentů na Rensselaer.
