北京時(shí)間9月5日消息科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，近日德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的生物物理學(xué)家安德里亞斯•鮑施（Andreas Bausc）和他的研究小組利用少數(shù)原料成功的創(chuàng)造了一個(gè)zui小化的細(xì)胞模型，后者可以改變自身形狀并自我移動(dòng)。他們的這項(xiàng)研究被發(fā)表在期刊《科學(xué)》上，也被列為這一期的封面故事。

圖1

細(xì)胞是非常復(fù)雜的物體，它具有成熟的新陳代謝系統(tǒng)。它們的進(jìn)化祖先原細(xì)胞僅僅是由細(xì)胞膜和少數(shù)分子組成，這是目前為止zui小但卻功能齊全的系統(tǒng)。

因此，“回歸細(xì)胞起源”成為鮑施教授帶領(lǐng)的研究小組以及合作者的座右銘，鮑施教授還是慕尼黑納米系統(tǒng)研究（NIM）小組成員。他們的夢(mèng)想是利用少數(shù)zui基本的原料創(chuàng)造一個(gè)具有特定功能的簡(jiǎn)單細(xì)胞模型。從這種角度上說(shuō)，他們遵循的是合成生物學(xué)的原則，也即單個(gè)細(xì)胞構(gòu)建單元被裝配形成具有新特征的人工生物系統(tǒng)。

生物物理學(xué)家的zui終目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)具有生物力學(xué)功能的類似細(xì)胞的模型。它應(yīng)該在沒(méi)有外界影響的前提下移動(dòng)并改變自身形狀?？茖W(xué)家們?cè)谖恼轮薪忉屃怂麄兪侨绾瓮瓿蛇@一目標(biāo)的。

生物物理學(xué)家的模型包含一個(gè)細(xì)胞膜殼，兩種不同的生物分子以及某種燃料。這個(gè)包膜，也被稱為囊，是由雙層脂膜組成，類似于某種天然的細(xì)胞膜。科學(xué)家們?cè)谀依锾顫M了驅(qū)動(dòng)蛋白分子和微管，后者是一種細(xì)胞支架的管狀組成物。細(xì)胞里驅(qū)動(dòng)蛋白的功能是分子馬達(dá)，能夠伴隨微管一起傳輸細(xì)胞基本構(gòu)建單元。在實(shí)驗(yàn)里，這些馬達(dá)會(huì)*性的互相推動(dòng)細(xì)管。因此，驅(qū)動(dòng)蛋白需要能量載體ATP，后者在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)定里就已經(jīng)包含。

從物理學(xué)角度看，微管在細(xì)胞膜下形成了二維液晶，細(xì)胞膜處于*的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。“你可以想象液晶層類似于湖面上漂浮的圓木。”研究作者菲利克斯•克貝爾（Felix Keber）這樣解釋道。“當(dāng)它變得擁擠，它們會(huì)并行排列但仍然能夠一并漂流。”

對(duì)人造細(xì)胞構(gòu)造變形起著決定性作用的是——即使處于休息狀態(tài)——液晶也必須包含斷層。數(shù)學(xué)家利用Poincaré-Hopf定理解釋了這種現(xiàn)象，后者也被稱為“毛球問(wèn)題”。正如一個(gè)人不做出亂發(fā)蓬時(shí)就無(wú)法梳平毛球，總有一些微管無(wú)法以規(guī)則的形式平躺在細(xì)胞膜表面。在某些位置這些細(xì)管可能會(huì)彼此垂直——呈現(xiàn)出特定的幾何學(xué)樣式。由于慕尼黑研究學(xué)者實(shí)驗(yàn)中的微管因驅(qū)動(dòng)蛋白分子的活動(dòng)而彼此處于持續(xù)的運(yùn)動(dòng)中，斷層就會(huì)移動(dòng)。令人驚訝的是，這種移動(dòng)以非常統(tǒng)一和周期性的方式進(jìn)行，在兩個(gè)固定的方向振蕩。

只要囊具有球面形狀，斷層對(duì)細(xì)胞膜的外在形狀就不會(huì)產(chǎn)生影響。然而，一旦水因?yàn)闈B透作用而流失，囊便開(kāi)始因?yàn)榧?xì)胞膜內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而改變形狀。隨著囊失去越來(lái)越多的水，細(xì)胞膜的松弛便形成尖的延長(zhǎng)物，后者類似運(yùn)動(dòng)過(guò)程中單個(gè)細(xì)胞所使用的。

在這個(gè)過(guò)程中科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一系列不同的形狀和動(dòng)態(tài)性。zui初看上去非常隨機(jī)的現(xiàn)象其實(shí)遵循了物理學(xué)定律?？茖W(xué)家小組如何成功揭秘了這一系列基本原則，例如囊的周期性行為。這些原則又進(jìn)一步作為對(duì)其它系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

“利用我們的合成生物分子模型，我們創(chuàng)造了研發(fā)模擬細(xì)胞模型的新選擇。” 鮑施解釋道。“它非常適合以模塊化的方式增加復(fù)雜性從而再造細(xì)胞過(guò)程，例如細(xì)胞移動(dòng)或者以可控制的方式進(jìn)行細(xì)胞分離。這些可以從物理學(xué)角度細(xì)節(jié)全面描述的人造系統(tǒng)為我們帶來(lái)了新的希望，在接下來(lái)我們將能夠揭開(kāi)多重細(xì)胞變形背后的基本原則。”