北京時(shí)間9月5日消息科學(xué)日報報道，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原料成功的創(chuàng )造了一個(gè)zui小化的細胞模型，后者可以改變自身形狀并自我移動(dòng)。他們的這項研究被發(fā)表在期刊《科學(xué)》上，也被列為這一期的封面故事。

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細胞是非常復雜的物體，它具有成熟的新陳代謝系統。它們的進(jìn)化祖先原細胞僅僅是由細胞膜和少數分子組成，這是目前為止zui小但卻功能齊全的系統。

因此，“回歸細胞起源”成為鮑施教授帶領(lǐng)的研究小組以及合作者的座右銘，鮑施教授還是慕尼黑納米系統研究（NIM）小組成員。他們的夢(mèng)想是利用少數zui基本的原料創(chuàng )造一個(gè)具有特定功能的簡(jiǎn)單細胞模型。從這種角度上說(shuō)，他們遵循的是合成生物學(xué)的原則，也即單個(gè)細胞構建單元被裝配形成具有新特征的人工生物系統。

生物物理學(xué)家的zui終目標是創(chuàng )造一個(gè)具有生物力學(xué)功能的類(lèi)似細胞的模型。它應該在沒(méi)有外界影響的前提下移動(dòng)并改變自身形狀?？茖W(xué)家們在文章中解釋了他們是如何完成這一目標的。

生物物理學(xué)家的模型包含一個(gè)細胞膜殼，兩種不同的生物分子以及某種燃料。這個(gè)包膜，也被稱(chēng)為囊，是由雙層脂膜組成，類(lèi)似于某種天然的細胞膜?？茖W(xué)家們在囊里填滿(mǎn)了驅動(dòng)蛋白分子和微管，后者是一種細胞支架的管狀組成物。細胞里驅動(dòng)蛋白的功能是分子馬達，能夠伴隨微管一起傳輸細胞基本構建單元。在實(shí)驗里，這些馬達會(huì )*性的互相推動(dòng)細管。因此，驅動(dòng)蛋白需要能量載體ATP，后者在實(shí)驗的基礎設定里就已經(jīng)包含。

從物理學(xué)角度看，微管在細胞膜下形成了二維液晶，細胞膜處于*的運動(dòng)狀態(tài)。“你可以想象液晶層類(lèi)似于湖面上漂浮的圓木。”研究作者菲利克斯•克貝爾（Felix Keber）這樣解釋道。“當它變得擁擠，它們會(huì )并行排列但仍然能夠一并漂流。”

對人造細胞構造變形起著(zhù)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。數學(xué)家利用Poincaré-Hopf定理解釋了這種現象，后者也被稱(chēng)為“毛球問(wèn)題”。正如一個(gè)人不做出亂發(fā)蓬時(shí)就無(wú)法梳平毛球，總有一些微管無(wú)法以規則的形式平躺在細胞膜表面。在某些位置這些細管可能會(huì )彼此垂直——呈現出特定的幾何學(xué)樣式。由于慕尼黑研究學(xué)者實(shí)驗中的微管因驅動(dòng)蛋白分子的活動(dòng)而彼此處于持續的運動(dòng)中，斷層就會(huì )移動(dòng)。令人驚訝的是，這種移動(dòng)以非常統一和周期性的方式進(jìn)行，在兩個(gè)固定的方向振蕩。

只要囊具有球面形狀，斷層對細胞膜的外在形狀就不會(huì )產(chǎn)生影響。然而，一旦水因為滲透作用而流失，囊便開(kāi)始因為細胞膜內的運動(dòng)而改變形狀。隨著(zhù)囊失去越來(lái)越多的水，細胞膜的松弛便形成尖的延長(cháng)物，后者類(lèi)似運動(dòng)過(guò)程中單個(gè)細胞所使用的。

在這個(gè)過(guò)程中科學(xué)家們發(fā)現了一系列不同的形狀和動(dòng)態(tài)性。zui初看上去非常隨機的現象其實(shí)遵循了物理學(xué)定律?？茖W(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。這些原則又進(jìn)一步作為對其它系統進(jìn)行預測的基礎。

“利用我們的合成生物分子模型，我們創(chuàng )造了研發(fā)模擬細胞模型的新選擇。” 鮑施解釋道。“它非常適合以模塊化的方式增加復雜性從而再造細胞過(guò)程，例如細胞移動(dòng)或者以可控制的方式進(jìn)行細胞分離。這些可以從物理學(xué)角度細節全面描述的人造系統為我們帶來(lái)了新的希望，在接下來(lái)我們將能夠揭開(kāi)多重細胞變形背后的基本原則。”