Science：能自己运动的人造细胞

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Science：能自己运动的人造细胞0 W/ O* {* `- G0 D
2014-09-09 1 来源：生物360 作者：koo! L% T+ \& E1 j1 r
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细胞有着复杂的代谢系统，不过它们的祖先原始细胞，仅仅由膜和少数几个分子组成，是一种既简单又完美的功能体系。
( o2 l# W9 [9 m8 v) }慕尼黑工业大学TUM的Andreas Bausch教授，一直致力于使用基础原料创造出拥有特定功能的简单细胞模型。现在，他领导研究团队构建了一个具有生物力学功能的类细胞模型，该模型能够在没有外界影响的情况下自己移动和改变形态。这一成果发表在本期的Science杂志上。+ P0 Y) q% O& Z: H, a0 z
这项研究中的类细胞模型，是一个包括膜外壳、两种不同的生物分子和一些ATP燃料的囊泡。囊泡外壳是类似于天然细胞膜的双层磷脂膜，囊泡的内部填入了微管（细胞骨架）和驱动蛋白。从物理角度看，这些微管在细胞膜下形成了二维液晶（two-dimensional liquid crystal），处于持久的运动状态。; h* y* Y' f+ F  r' t- W8 B
在细胞中，驱动蛋白一般作为分子马达，沿着微管运输细胞的建设原料。在这项研究中，这些分子马达持续不断地推动微管，当然这需要ATP为其提供能量。% h+ W" }  N* s% p1 S
这个人造细胞之所以能变形，是因为Poincaré-Hopf定理也称为毛球定理。通俗地讲，该理论认为梳平毛球的尝试一定会产生尖角，因此“永远不可能抚平一个毛球”。在这项研究中，总有一些微管不能在细胞膜下规矩地平躺下来，会在特定的位置出现翘起。由于驱动蛋白在不断试图排好微管，翘起的部位也会随之改变。令人称奇的是，这一过程非常统一而且具有周期性，在两个固定的方向之间振荡。% [9 M- y4 u5 j! _( p
只要囊泡还是球形，微管的排列问题就不会影响膜的外部形态。然而一旦渗透失水，囊泡就会根据微管运动而改变形态。如果囊泡进一步失水，松弛的膜就会形成突起，类似于细胞移动时所用的结构。7 B. a% J6 `' ?3 H% w) ?
在这种情况下，人造细胞会出现各种各样的形态和动态，虽然看起来像是随机发生的，但它们实际上遵循着物理学规则。Bausch指出，人们可以在这个模型的基础上增加复杂性，以可控的方式重建细胞迁移或细胞分裂等过程。, ~# q' e) R1 \
原文检索：1 S* T, `$ _! s1 u+ s2 a7 x% s
Felix C. Keber, Etienne Loiseau, Tim Sanchez, Stephen J. DeCamp, Luca Giomi, Mark J. Bowick,M. Cristina Marchetti, Zvonimir Dogic, and Andreas R. Bausch. Topology and dynamics of active nematic vesicles. Science, 5 September 2014; DOI:10.1126/science.12547842 |8 o, d8 L( a