科學家們首次在細胞外再造細胞分裂

標示了肌動蛋白束和肌球蛋白帶的心肌細胞。

每一個生物都在移動——獵物從捕食者面前逃脫，螞蟻爬到麵包屑上，樹葉轉向陽光等等。但在最基本的層面上，科學家們仍在努力探索細胞構建、移動、運輸和分裂背後的物理學原理。

芝加哥大學的物理學教授Margaret Gardel表示：「生物體移動和改變形狀的機制是生命固有的，它們都有物理學的基礎，但我們對這些機制仍然知之甚少。」

近日，由Gardel領導的一項創新性研究，將物理學和生物學結合起來，研究了細胞自我轉化的方式，首次在細胞外重建了細胞分裂。這項研究主要由博士後Kim Weirich開展，並於5月21日發表在《美國國家科學院學報》上，這有助於科學家們通過細胞的日常活動理解的其物理特性，有朝一日可能導致重大的醫學突破，以及新型材料甚至人造細胞的出現。

「細胞分裂是創造生命最基本的步驟之一，這也是數百年來我們一直試圖理解的事情。」論文的通訊作者Gardel說。細胞在體內運動，但一些最複雜的運動發生在細胞內部：細胞把原料和補給從一個地方運送到另一個地方，變平或膨脹，然後分裂，重新創造另一個自己。其中一個關鍵的參與者是肌動蛋白，它能夠自組裝成棒狀結構。

Gardel的團隊想要了解肌動蛋白行為背後的物理學原理。因此，Weirich將這些成分提取了出來，並試著用它們在細胞外製造分裂。結果發現，肌動蛋白在被分離出來後，形成杏仁形狀的液滴。當加入肌球蛋白（肌肉中常見的「運動蛋白」）時，它們自發地在液滴的兩端找到中心，並將液滴捏成兩半。Gardel說，他們看到這個過程完全驚呆了。「這沒有先例。它看起來就像驅動細胞分裂的紡錘體。」

與芝加哥大學的物理學家Thomas Witten和化學家Suriyanarayanan Vaikuntanathan合作，博士後研究員Kinjal disbasal建立了細胞分裂的物理學模型。在液滴中，桿狀的肌動蛋白分子喜歡平行排列以減少衝突，從而形成杏仁狀。較長的肌動蛋白分子更喜歡聚集在中心，這樣它們仍然可以與肌動蛋白保持平行。但是當更多的肌球蛋白聚集在一起時，它們開始粘在一起，形成有利於傾斜而非繼續保持平行的團簇，最終液滴被擠成了兩半。這是第一次如此詳細地研究細胞如何完成分裂任務。

觀察生物如何利用液滴結構來形成更多的生命，不僅有趣而且有用，Gardel說。雖然細胞分裂用到的蛋白質的類型不同，但其基本原理可能是相似的。她說：「我們可以想像，這是一種可以製造人造組織促進傷口癒合的東西。歸根結底，生物學上的很多問題都是關於分子整體如何協同工作的，而且因為這些物質往往在細胞內部發生化學反應，所以很難建模。這類研究讓我們有機會探索各種力發揮作用的基本原理。」

（來源：科學大觀園雜誌）

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