科学家尝试理解活性物并寻找生命世界的基本原
时间:2017-12-07

  科学家试图了解活跃人和生活世界的基本原理 - 新闻 - 科学网

  最初,Zvonimir Dogic和他的学生采取微管并且与驱动蛋白混合。前者是形成细胞内部骨架一部分的丝状蛋白质,后者是沿着这些细丝行进的运动蛋白质,后来,研究人员将混合物的液滴悬浮在油上并给予其分子燃料,称为三磷酸腺苷(ATP)。

  令团队感到惊喜的是,这些分子将自己组织成了每一滴水滴表面上旋转的大型图案。马萨诸塞州布兰代斯大学(Brandeis University)的物理学家杜奇(Dogic)表示,将由蛋白质连接起来的大量微管组合在一起,就像举办一场音乐会。

  通过2012年发布的这些测试,Dogic团队创造了一种新的液晶。与标准液晶显示器中响应被动形成的电场的分子不同,Dogic的组成非常活跃,他们自我激励地从周围的ATP中获取能量,同时自发地形成模式归功于数千个独立行动的集体行为。

  这些物理学家称之为活性物质的特征,已成为近年来重要的研究对象。这方面的例子很多,包括那些没有领导者,但能够连续飞行的人,以及流动的,结构化的细胞骨架。他们越来越多地在实验室制造:研究人员使用合成成分,如微管和合成结构,其中包括微米大小的光塑料游泳者,当灯打开时,形成一个结构,合成活性物质。 “活跃”一词出现在标题或摘要中,同行评议论文的产出从10年前的不到10年增加到去年的近70年。与此同时,去年又有一些国际研讨会陆续举行。

  有机体组织

  所有已知的生命形式都是基于自我激励,共同创造大规模的结构和移动实体。如果这种情况没有发生,那么生物体就会局限于使用一个非常缓慢和被动的过程如扩散在细胞或组织内移动DNA和蛋白质。同时,许多生命的复杂结构和功能可能永远不会发展。几十年来,生物学家和物理学家一直在推测生命物质的普遍机制,但分子过程的研究主要集中在识别一系列令人眼花缭乱的相关分子,而不是阐明它们自我组织的机制。结果,现在被称为积极研究的领域直到90年代中期才开始。

  最有影响力的早期实验之一是由斯坦尼斯拉斯·莱布莱(Stanislas Leibler)领导的一个小组进行的。他是一名生物物理学家,现在在普林斯顿大学任教,现在在洛克菲勒大学工作。这是最早发现生命的复杂结构自组装微管和蛋白质的团队之一。几乎与此同时,匈牙利布达佩斯罗兰大学的理论生物物理学家Tams Vicsek提出了一个有影响力的活性物质模型。在20世纪90年代初,Vicsek试图解释鸡群,细菌菌落和细胞骨架成分的集体运动。

  他在1928年由德国物理学家海森堡(Werner Heisenberg)发明的磁性材料模型中找到了起点。海森堡将每个原子都想象成一个自由旋转的棒状磁体,发现当这些原子磁体之间的相互作用导致其中大部分排队。为了解释这些活动,Vicsek用移动的箭头代替了这些微型磁铁,而箭头象征着粒子与邻居的平均速度一致,尽管有一些随机误差。这就是现在所谓的Vicsek羊群模式。他的模拟表明,当足够的箭头落入一个足够小的空间时,他们开始移动一个模式,类似于成群的鸟类和鱼类的熟悉的运动。

  1994年,听取了Vicsek在这方面的演讲的John Toner被吸引到了这个观点,现在在俄勒冈大学工作的Toner认为,Vicsek的一群活动箭头可以被模拟成一个连续的流体。他使用流体动力学的标准方程来描述从茶壶到海洋的每件事物中的液体流动,并对其进行了改进以解释单个颗粒如何使用能量。墨粉的流体模型和Vicsek的离散粒子模型在一系列现象中给出了基本相同的预测,并导致了主动建模家庭作坊的兴起。

  这里只有一个问题。法国巴黎高等师范学院的物理学家丹尼斯·巴托洛(Denis Bartolo)说,虽然模拟活性物质的数量猛增,但定量测试的数量并没有改变,几乎接近于零。实际工作是具有挑战性的:没有人想要控制10,000只鸟或10,000条鱼。在微观尺度上,很少有科学家熟悉必要的理论工作和净化分子组分所需的生物实验室技术。

  理论与实验相结合

  直到本世纪初,理论和实验部分才开始联合起来。慕尼黑科技大学的物理学家Andreas Bausch领导了最早的精确定量测试之一。他和他的同事将肌动蛋白和肌球蛋白混合在一起。前者是形成复杂细胞中大部分骨架的细丝,而后者是一种在肌动蛋白上行走并引起肌肉收缩的分子运动。研究人员添加肌球蛋白,天然燃料ATP,并将混合物放在显微镜载玻片上观察。在较低的浓度下,肌动蛋白丝绕过而没有可辨别的顺序。然而,在更高的密度下,它们形成了跳动的簇,漩涡和环。 Bausch及其同事随机确定并量化了Vicsek等人预测的相变类型。他们在2010年发表的文章帮助刺激了实验活动的兴起。

  后续研究还包括Dogic在2012年进行的微管实验。他利用另一种步行蛋白驱动的蛋白。由此产生的模型比Bausch所看到的更加复杂和动态:微管的流动类似于指纹的运动。 Dogic和他的团队也注意到,这种流动的有序安排偶尔会被打破并且存在缺陷:模式的不连续性,如经度线与南北的交叉点。这些缺陷是非常有活力的,像自走式粒子一样移动。

  那个时候,没有任何一个理论可以解释这种行为。 2014年,锡拉丘兹大学的物理学家克里斯蒂娜·马凯蒂(Dristic Marchetti)的Dogic和Bausch合作描述了在缺陷迁移率方面而不是单个晶体成分方面,在球形囊泡周围旋转的活性液晶的行为。同时,研究小组发现可以通过调整囊泡的直径和表面张力来改变缺陷的运动。这提供了控制有源晶体的可能方法。

  趋同领域加强接受度

  一些生物学家希望这样的研究将揭示控制细胞如何分裂,塑造或移动的基本原理。这就像达尔文之前的林奈分类标准一样,根据马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的生物学家托尼·普兰纳(Tony Planner)的说法,我们已经得到了所有这些分子,就像它们拥有所有的物种一样,我们需要添加一些秩序和逻辑。海曼认为,积极性提供了这个逻辑。

  然而,即使是狂热分子也承认主流生物学家可能需要被说服。起初,我们的很多论文都被拒绝了。海曼说,部分原因是手稿中使用了大量的数学知识,很难找到评论者。耶鲁大学的分子生物物理学家乔纳森·霍华德(Jonathon Howard)认为,即使是活跃词也会阻碍交流。这有点像物理学。

  不过,霍华德和海曼仍然希望,随着领域之间的融合不断增加,接受度将会提高。海曼说:我认为下一代生物学家从一开始就会接受物理培训。

  德累斯顿工业大学的生物物理学家Stephan Grill认为,这是一件好事,因为积极研究的进展需要科学家在物理学和生物学的前沿。最终的宝藏是在交界处,但你必须把这两个领域推到极限。 (宗华)

  中国科学通报(2016-01-18第3版国际)

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  科学报告(英文)