Science:能自己運(yùn)動(dòng)的人造細(xì)胞
日期:2014-09-09 09:06:50
細(xì)胞有著復(fù)雜的代謝系統(tǒng),不過它們的祖先原始細(xì)胞,僅僅由膜和少數(shù)幾個(gè)分子組成,是一種既簡單又完美的功能體系。
慕尼黑工業(yè)大學(xué)TUM的Andreas Bausch教授,一直致力于使用基礎(chǔ)原料創(chuàng)造出擁有特定功能的簡單細(xì)胞模型。現(xiàn)在,他領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)具有生物力學(xué)功能的類細(xì)胞模型,該模型能夠在沒有外界影響的情況下自己移動(dòng)和改變形態(tài)。這一成果發(fā)表在本期的Science雜志上。
這項(xiàng)研究中的類細(xì)胞模型,是一個(gè)包括膜外殼、兩種不同的生物分子和一些ATP燃料的囊泡。囊泡外殼是類似于天然細(xì)胞膜的雙層磷脂膜,囊泡的內(nèi)部填入了微管(細(xì)胞骨架)和驅(qū)動(dòng)蛋白。從物理角度看,這些微管在細(xì)胞膜下形成了二維液晶(two-dimensional liquid crystal),處于持久的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
在細(xì)胞中,驅(qū)動(dòng)蛋白一般作為分子馬達(dá),沿著微管運(yùn)輸細(xì)胞的建設(shè)原料。在這項(xiàng)研究中,這些分子馬達(dá)持續(xù)不斷地推動(dòng)微管,當(dāng)然這需要ATP為其提供能量。
這個(gè)人造細(xì)胞之所以能變形,是因?yàn)?/span>Poincaré-Hopf定理也稱為毛球定理。通俗地講,該理論認(rèn)為梳平毛球的嘗試一定會(huì)產(chǎn)生尖角,因此“永遠(yuǎn)不可能撫平一個(gè)毛球”。在這項(xiàng)研究中,總有一些微管不能在細(xì)胞膜下規(guī)矩地平躺下來,會(huì)在特定的位置出現(xiàn)翹起。由于驅(qū)動(dòng)蛋白在不斷試圖排好微管,翹起的部位也會(huì)隨之改變。令人稱奇的是,這一過程非常統(tǒng)一而且具有周期性,在兩個(gè)固定的方向之間振蕩。
只要囊泡還是球形,微管的排列問題就不會(huì)影響膜的外部形態(tài)。然而一旦滲透失水,囊泡就會(huì)根據(jù)微管運(yùn)動(dòng)而改變形態(tài)。如果囊泡進(jìn)一步失水,松弛的膜就會(huì)形成突起,類似于細(xì)胞移動(dòng)時(shí)所用的結(jié)構(gòu)。
在這種情況下,人造細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)各種各樣的形態(tài)和動(dòng)態(tài),雖然看起來像是隨機(jī)發(fā)生的,但它們實(shí)際上遵循著物理學(xué)規(guī)則。Bausch指出,人們可以在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上增加復(fù)雜性,以可控的方式重建細(xì)胞遷移或細(xì)胞分裂等過程。
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