大約八年前，斯坦福大學(xué)的生物工程師Manu Prakash正在尋找一種方法來觀察成年人生活中的每一個細(xì)胞，精心細(xì)致地表現(xiàn)動物。他搜索了生活目錄，發(fā)現(xiàn)了簡單的海洋動物Trichoplax adhaerens或Tplax，就像普拉卡什所說的那樣。

這種超扁平的動物缺乏肌肉和神經(jīng)元，但仍然會在水世界中移動和航行。Prakash實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)Tplax通過其兩個皮膚狀層的驚人快速收縮來控制這一壯舉 - 收縮強(qiáng)度足以使它們通常撕裂這些看似脆弱的組織。研究人員在10月11日發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上的第一篇關(guān)于這種生物體研究的論文中描述了超快收縮，并提出了一個關(guān)于這種生物如何抵抗內(nèi)部和外部力量的假設(shè)。海洋環(huán)境。

這些研究結(jié)果不僅有助于了解復(fù)雜動物的進(jìn)化過程，還有助于創(chuàng)造一種稱為活性固體的先進(jìn)材料，可以顯著快速地調(diào)節(jié)其自身的物理特性。

“到目前為止，我們在教科書中閱讀的大部分生物學(xué)規(guī)則都是由幾套”模型“生物決定的，”生物工程副教授，該論文的高級作者普拉卡什說。“如果我們打算成為解釋生物學(xué)定律的那一代，那么了解和理解我們星球上已經(jīng)發(fā)生的變化的多樣性并更全面地思考生物系統(tǒng)中實(shí)際可能的東西是非常重要的。”

沒有肌肉的運(yùn)動

在研究Tplax的早期，這些生物會在顯微鏡下反復(fù)移動。但隨著時間的推移，普拉卡什實(shí)驗(yàn)室的研究人員學(xué)會了跟蹤和量化動物的每一次細(xì)胞擠壓和蠕動。普拉卡什記得當(dāng)他們的努力第一次開始得到回報時。

“實(shí)際上有一天，我第一次有一些標(biāo)記Tplax細(xì)胞工作的污漬，在顯微鏡下我們看到了細(xì)胞收縮的爆炸，”普拉卡什說。“它看起來像是在顯微鏡下的煙花，那是告訴我們這種動物有一些非常特殊的東西，我們需要了解它。”

那些煙花是Tplax的快速收縮，它發(fā)生在所謂的上皮細(xì)胞的平坦層 - 基本上相當(dāng)于皮膚。雖然長期以來已知這些細(xì)胞會收縮，但在胚胎中，例如，Tplax的收縮速度比有史以來報道的任何上皮細(xì)胞收縮快10倍。這會撕裂像這種動物一樣薄的任何其他生物組織中的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，其僅為約25微米厚，或者是紙張厚度的四分之一。

研究人員認(rèn)為組織的優(yōu)勢在于，雖然一些細(xì)胞強(qiáng)烈收縮，但其他細(xì)胞軟化 - 一種假設(shè)，他們稱之為“積極的凝聚力”。在許多組織中，對力的反應(yīng)收縮會導(dǎo)致撕裂和放松會導(dǎo)致動物受到該力的支配。通過同時和協(xié)調(diào)地進(jìn)行，Tplax的活躍內(nèi)聚中所涉及的細(xì)胞分散應(yīng)力，使動物保持完整并控制。

超快速收縮上皮細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)為上皮收縮在協(xié)調(diào)整個組織的細(xì)胞活動中的作用提出了新的問題。

“我們看看這個簡單的生物，我們看到它做出決定，移動和捕獵，”該論文的第一作者，Prakash實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Shahaf Armon說。“這是一個巨大的進(jìn)化問題，單個細(xì)胞如何合并成為多細(xì)胞生物體，以及由相同細(xì)胞組成的這種最小組織如何能夠執(zhí)行復(fù)雜的行為。”

現(xiàn)在，研究人員正在探索其他有機(jī)體可能使用的活躍內(nèi)聚力，并正在創(chuàng)造復(fù)制這種機(jī)制以構(gòu)建活性固體的人造材料。這些收縮速度的關(guān)鍵是Tplax上皮結(jié)構(gòu)的不尋常的幾何形狀：T形細(xì)胞具有非常薄的頂層和底部的懸掛核，它們像單層磚一樣并排排列。他們與海綿共享的幾何形狀可以為新材料的開發(fā)提供信息。

神秘的野獸

他們與蒙特利的實(shí)驗(yàn)室血統(tǒng)和動物一起工作，成長為Tplax的各種大小和形狀，創(chuàng)造了數(shù)百到數(shù)百萬個細(xì)胞的動物。這種尺寸的變化為理解細(xì)胞協(xié)調(diào)隨細(xì)胞數(shù)量增加或減少的方式如何變化提供了有力的窗口。

“Tplax真的是神秘的野獸，”普拉卡什實(shí)驗(yàn)室的研究生，該論文的共同作者馬修·布爾說，“但是我們利用這一點(diǎn)來發(fā)現(xiàn)我們對于成為動物一部分意味著什么的理解王國彎曲然后休息。“