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能自己运动的人造细胞

日期:2014-09-09 00:00:00

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。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。

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。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。

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。

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。

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