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北京時(shí)間9月5日消息科學(xué)日報(bào)報(bào)道袖蝙，近日德國慕尼黑工業(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)剪碱。他們的這項(xiàng)研究被發(fā)表在期刊《科學(xué)》上羊耸，也被列為這一期的封面故事。

圖1

細(xì)胞是非常復(fù)雜的物體穆递，它具有成熟的新陳代謝系統(tǒng)葵伟。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)。

因此夕谬，“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增队，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)具有特定功能的簡單細(xì)胞模型哲银。從這種角度上說扛吞，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)荆责。

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)胞的模型滥比。它應(yīng)該在沒有外界影響的前提下移動(dòng)并改變自身形狀∽鲈海科學(xué)家們在文章中解釋了他們是如何完成這一目標(biāo)的盲泛。

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键耕。這個(gè)包膜寺滚，也被稱為囊，是由雙層脂膜組成屈雄，類似于某種天然的細(xì)胞膜村视。科學(xué)家們在囊里填滿了驅(qū)動(dòng)蛋白分子和微管棚亩，后者是一種細(xì)胞支架的管狀組成物蓖议。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)建單元腹瞒。在實(shí)驗(yàn)里毁几，這些馬達(dá)會(huì)*性的互相推動(dòng)細(xì)管。因此孝尺，驅(qū)動(dòng)蛋白需要能量載體ATP陵租，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)角度看洼宪，微管在細(xì)胞膜下形成了二維液晶育床，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绒霹。”研究作者菲利克斯•克貝爾（Felix Keber）這樣解釋道松浆。“當(dāng)它變得擁擠，它們會(huì)并行排列但仍然能夠一并漂流擅啸。”

對人造細(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旧晴。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“毛球問題”碎领。正如一個(gè)人不做出亂發(fā)蓬時(shí)就無法梳平毛球遮尚，總有一些微管無法以規(guī)則的形式平躺在細(xì)胞膜表面誊涯。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)中蒜撮，斷層就會(huì)移動(dòng)暴构。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)行段磨，在兩個(gè)固定的方向振蕩取逾。

只要囊具有球面形狀，斷層對細(xì)胞膜的外在形狀就不會(huì)產(chǎn)生影響薇溃。然而菌赖，一旦水因?yàn)闈B透作用而流失，囊便開始因?yàn)榧?xì)胞膜內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而改變形狀沐序。隨著囊失去越來越多的水，細(xì)胞膜的松弛便形成尖的延長物堕绩，后者類似運(yùn)動(dòng)過程中單個(gè)細(xì)胞所使用的策幼。

在這個(gè)過程中科學(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)定律奴紧√亟悖科學(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冬蝶。這些原則又進(jìn)一步作為對其它系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)裁鸦。

“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)胞模型的新選擇瘟气。” 鮑施解釋道肮脱。“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)胞分離断憨。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)為我們帶來了新的希望夜痊，在接下來我們將能夠揭開多重細(xì)胞變形背后的基本原則。”