耶鲁大学Nature Physics封面：揭示细胞能量分配与细胞行为的关系

细胞利用能量驱动细胞内部非平衡过程，这对于细胞分裂、伤口愈合以及免疫系统应对癌症等疾病至关重要。然而，能量在细胞内多个非平衡过程中的分配方式及其与细胞行为学的关系仍然是一个未解之谜。

耶鲁大学系统生物学研究所Michael Murrell副教授（点击查看介绍）等科学家发现了支撑细胞能量使用的热力学原理。这一突破性发现发表在Nature Physics 上，并被选为2024年11月的期刊封面。耶鲁大学的Michael Murrell与威斯康星大学麦迪逊分校的William Bementw为这项研究的通讯作者。文章的第一作者、博士后Sheng Chen (陈晟) 本科毕业于中国科学技术大学近代力学系，于密歇根州立大学Tong Gao组取得博士学位。

在细胞分裂之前，细胞的皮质层（cell cortex）内会生成两种不同形式的蛋白质“波形”：一种是像心跳一样的脉动振荡，另一种则表现出螺旋形波动。陈晟博士通过实验测量、数值模拟与理论研究，分析了细胞内能量在皮质层内形成的不同波形模式中的耗散，揭示了不同波形中能量在机械波和化学波的分配规律。

令人惊讶的是，研究人员揭示了一个细胞内有组织的能量系统，这个系统依赖于与热力学平衡的距离。他们发现，细胞分裂前会呈现出一种最佳的优势状态——在两种波形之间找到一个“甜蜜点”，从而产生最大、最稳定的能量来推动细胞的生命活动。这项关于哺乳动物细胞最大耗散状态的研究成果，革新了生物学家、化学家和物理学家对伊利亚•普里戈金博士（Dr. Ilya Prigogine）最小熵理论的认识（普里戈金博士因该理论获得了1977年诺贝尔化学奖）。

发现细胞内部能量排列的原理，有助于我们理解支配细胞能量动力学的物理学，并且揭示了其在细胞基本行为中的关键作用。研究者计划利用数学模型和机器学习，进一步量化不同波形模式与细胞特定功能（特别是与疾病扩散相关功能）之间的关系。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Energy partitioning in the cell cortex

Sheng Chen, Daniel S. Seara, Ani Michaud, Songeun Kim, William M. Bement & Michael P. Murrell 

Nat. Phys., 2024, 20, 1824–1832, DOI: 10.1038/s41567-024-02626-6

导师介绍

Michael Murrell

https://www.x-mol.com/university/faculty/56290