德科学家人工创造最小化细胞模型

科学日报报道，近日德国慕尼黑工业大学（TUM）的生物物理学家安德里亚斯•鲍施（Andreas Bausc）和他的研究小组利用少数原料成功的创造了一个最小化的细胞模型，后者可以改变自身形状并自我移动。他们的这项研究被发表在期刊《科学》上，也被列为这一期的封面故事。

细胞是非常复杂的物体，它具有成熟的新陈代谢系统。它们的进化祖先原细胞仅仅是由细胞膜和少数分子组成，这是目前为止最小但却功能齐全的系统。

因此，“回归细胞起源”成为鲍施教授带领的研究小组以及国际合作者的座右铭，鲍施教授还是慕尼黑纳米系统研究（NIM）小组成员。他们的梦想是利用少数最基本的原料创造一个具有特定功能的简单细胞模型。从这种角度上说，他们遵循的是合成生物学的原则，也即单个细胞构建单元被装配形成具有新特征的人工生物系统。

生物物理学家的最终目标是创造一个具有生物力学功能的类似细胞的模型。它应该在没有外界影响的前提下移动并改变自身形状。科学家们在文章中解释了他们是如何完成这一目标的。

生物物理学家的模型包含一个细胞膜壳，两种不同的生物分子以及某种燃料。这个包膜，也被称为囊，是由双层脂膜组成，类似于某种天然的细胞膜。科学家们在囊里填满了驱动蛋白分子和微管，后者是一种细胞支架的管状组成物。细胞里驱动蛋白的功能是分子马达，能够伴随微管一起传输细胞基本构建单元。在实验里，这些马达会永久性的互相推动细管。因此，驱动蛋白需要能量载体ATP，后者在实验的基础设定里就已经包含。

从物理学角度看，微管在细胞膜下形成了二维液晶，细胞膜处于永久的运动状态。“你可以想象液晶层类似于湖面上漂浮的圆木。”研究首席作者菲利克斯•克贝尔（Felix Keber）这样解释道。“当它变得拥挤，它们会并行排列但仍然能够一并漂流。”

对人造细胞构造变形起着决定性作用的是——即使处于休息状态——液晶也必须包含断层。数学家利用Poincaré-Hopf定理解释了这种现象，后者也被称为“毛球问题”。正如一个人不做出乱发蓬时就无法梳平毛球，总有一些微管无法以规则的形式平躺在细胞膜表面。在某些位置这些细管可能会彼此垂直——呈现出特定的几何学样式。由于慕尼黑研究学者实验中的微管因驱动蛋白分子的活动而彼此处于持续的运动中，断层就会移动。令人惊讶的是，这种移动以非常统一和周期性的方式进行，在两个固定的方向振荡。

只要囊具有球面形状，断层对细胞膜的外在形状就不会产生影响。然而，一旦水因为渗透作用而流失，囊便开始因为细胞膜内的运动而改变形状。随着囊失去越来越多的水，细胞膜的松弛便形成尖的延长物，后者类似运动过程中单个细胞所使用的。

在这个过程中科学家们发现了一系列不同的形状和动态性。最初看上去非常随机的现象其实遵循了物理学定律。国际科学家小组如何成功揭秘了这一系列基本原则，例如囊的周期性行为。这些原则又进一步作为对其它系统进行预测的基础。

“利用我们的合成生物分子模型，我们创造了研发模拟细胞模型的新选择。” 鲍施解释道。“它非常适合以模块化的方式增加复杂性从而再造细胞过程，例如细胞移动或者以可控制的方式进行细胞分离。这些可以从物理学角度细节全面描述的人造系统为我们带来了新的希望，在接下来我们将能够揭开多重细胞变形背后的基本原则。”