Alex Rautu 是计算生物学中心的 Flatiron 研究员。学分：约翰斯莫克Alex Rautu不存在只见树木不见森林的问题——或者，在他的情况下，没有看到细胞核分子机器运动的运作情况。
在Flatiron Institute ，Rautu 使用以活性物质物理学为指导的数学模型来理解原子核的力学和动力学。生物学家通常关注细节，而 Rautu 则着眼于大局，以了解微小的酶和分子马达如何对这个细胞区室中的物质运动产生如此大的影响。
虽然他是一名受过训练的物理学家，但这并不是 Rautu 第一次涉足生物学领域。多年来，他的研究使他踏上了穿越细胞和环游世界的旅程。在英国华威大学攻读博士学位期间，他专注于形成细胞边界的脂质膜。作为印度班加罗尔国家生物科学中心的博士后研究员，Rautu 研究了细胞本身，试图了解膜材料的融合和裂变如何控制亚细胞器的动力学和组成。自 2020 年以来，Rautu 一直是计算生物学中心(CCB) 的 Flatiron 研究员，负责研究细胞核。
Rautu 最近向西蒙斯基金会讲述了他的工作以及放眼大局的重要性。为清楚起见，对对话进行了编辑。
什么是活性物质物理学？
活性物质物理学是更大的软物质物理学学科中的一个新兴领域。软物质物理学描述的是柔软的材料，如聚合物和生物材料，它们很容易变形，而不是像晶体或玻璃那样坚硬的东西。在软物质中，有些系统具有“活性物质”，即消耗能量以执行机械功的物质。细菌是此类活性剂的一个例子。与被动移动的原子不同，细菌可以推动自己。这种活动会导致出现集体行为，比如聚集在一起或聚集形成一个细菌菌落，其规模比单个细菌大得多。从本质上讲，许多选民的治理运动因此不同于孤立的个人，他们的活动往往会产生令人惊讶的结果。
活性物质物理学还可以帮助我们理解细胞内细胞器的支配物理学，这正是我所研究的。通过使用活性物质的原理，我旨在了解细胞成分的动力学和功能，并更深入地了解它们在细胞整体功能中的作用。我的研究重点是研究液体、酶和分子马达之间的相互作用，以深入了解它们在细胞内的移动和运输方式。这通常涉及物理学各个分支的组合，包括化学反应、热力学和流体力学。这些概念对于理解亚细胞过程至关重要，例如蛋白质的运输和其他对细胞生存至关重要的生化反应。了解这些基本的物理原理可能使研究人员能够深入了解如何改进涉及亚细胞过程的生物技术和医学治疗。
您如何将活性物质物理学应用到熨斗研究所的工作中？
目前我正与 CCB 主任迈克尔雪莱合作研究原子核。这是包含 DNA 的细胞部分。通过其包装和结构在细胞核中正确组织 DNA 对于基因表达的正确调节至关重要，这反过来又确保了细胞的正常功能。我们正在研究哪些机械特性参与了 DNA 的组织，这主要是由细胞核中的各种蛋白质和酶驱动的。单个酶通过与蛋白质结合产生力，使它们变形并将周围的液体推开。为了深入了解系统的整体集体运动，我们研究了整个细胞核的机械特性，而不是孤立地检查 DNA 或酶。
通过使用流体动力学模型，Rautu 和他的合作者研究了染色质的动力学，染色质是构成细胞核并含有 DNA 的物质。他们将染色质建模为一种既粘稠又可压缩的流体，使他们能够模拟异染色质的特性，异染色质是一种特殊类型的染色质，以其紧密堆积的结构和交联蛋白引起的收缩应力而闻名。这些应力会导致密度不稳定和大规模流动。该模拟揭示了异染色质液滴的初始形成，随后它们在核外围重新分布。这项研究为控制异染色质空间组织的机械过程提供了新的理解。图片来源：Alex Rautu
这项研究通过检查细胞内起作用的基本力来解决基本物理问题。通过使用数学模型，我们旨在了解这些力如何影响细胞核内 DNA 的组织。
虽然生物学家通常专注于研究小而具体的细节以深入了解特定系统的工作原理，但在某些情况下，退后一步并考虑更大的图景也很重要。通过研究整个细胞核的机械特性，我们可以更深入地了解控制生物系统行为的基本原理。这种方法的美妙之处在于，它使我们能够识别在孤立地研究单个组件时可能不明显的模式和联系。
数学建模如何帮助您了解全局？
就像如果你想了解风的吹向就不会研究单个原子一样，我们也不是在研究单个分子马达或蛋白质。数学建模帮助我们从整体上理解我们研究的系统，而不受细节的阻碍。当从更大的角度观察时，感兴趣的关键特征会更加明显，只有在缩小时才能看到。
在这项工作中，我通常从一个简化模型开始，该模型由一组偏微分方程组成，用于描述系统如何随时间和空间变化。在长时间尺度上，核成分表现得像粘性流体，尽管是可压缩流体，即流体密度随时间变化的流体。我们的方程式反映了这种可压缩流体如何变化和流动。
为了写出这些方程式，我们从基本原理开始，创建一个简单的模型来描述系统中正在发生的事情。这种方法类似于您研究人群动态的方式。假设您想知道一群人如何离开拥挤的音乐场所。首先你会写出描述人们走路方式的方程式，然后你会添加规则——比如人们不能穿过彼此或穿过墙壁。通过求解这些方程式，您可以预测出出口门的人员的总体移动或流量。我们在这里对原子核中的流体做同样的事情。我们正在模拟流体而不是人类，但我们仍然有类似的规则。在这种情况下，我们的规则是质量和动量守恒。
一旦我们开发了一个简化模型，我们就可以添加其他因素。例如，如果我们引入方程式来描述化学，我们就可以了解事物如何反应以及该反应如何影响原子核的其他部分。合并到模型中的每个附加元素都增强了我们对整个系统的理解。尽管实际系统要复杂得多，但研究简化模型对于增进我们对原子核的理解仍然具有重要价值。