Science | 封面！身体瞬间变长30倍，神奇生物的秘密终于解开了

iNature · 公众号 · · 2024-06-15 21:43

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细胞变形的基本限制，如活细胞的超伸展，仍然知之甚少。

2024年6月7日，斯坦福大学Manu Prakash团队在 Science 以封面的形式发表题为“ Curved crease origami and topological singularities enable hyperextensibility of L. olor ”的研究论文，该研究描述了一个40微米的单细胞天鹅长吻虫(Lacrymaria olor) ，如何能够在30秒内可逆地重复地将其颈状突出物延伸到1200微米。

该研究发现了一种层状皮质细胞骨架和膜结构，可以通过细胞尺度折纸的折叠和展开进行超延伸。这种弯曲折纸的物理模型显示拓扑奇点，包括移动可展开锥体和细胞骨架扭曲结构域壁，这提供了超扩展的几何控制。 总之，该研究揭示了细胞几何如何在单个细胞中编码行为，并为微型机器人和可部署架构中的几何控制提供了灵感。

观察单细胞原生生物令人着迷，因为它们实时进行形态变化。 在细胞分裂过程中，细胞结构的大转变已经得到了很好的研究；在运动性方面，例如当细胞通过狭窄的毛孔时；多细胞系统中细胞的许多动态行为也可归因于收缩和拉伸特性，例如心脏中的心脏成纤维细胞、肠道中的蠕动或肺上皮不破裂的可拉伸性。 单个细胞必须经历大的应变和应变速率才能完成这些行为。

是什么设置了细胞形态动力学的基本限制仍然是未知的。 研究人员利用掠食性纤毛虫天鹅长吻虫( Lacrymaria olor )的超伸展实验建立了一个实验系统来研究单细胞形态动力学的极限。这种40 μm的小单细胞能够在30秒内将颈状突起伸长至1200 μm，并且颈部的收缩速度与伸长的速度一样快。 研究人员确定这些扩展的作用是全面搜索细胞周围的猎物。

单细胞天鹅长吻虫利用细胞颈状突起的快速、可逆延伸来捕猎，这是由弯曲的折纸结构实现的。通过高分辨率成像和缩放折纸实验，研究人员展示了螺旋褶的拓扑奇点如何控制展开。这一发现提供了对单细胞行为的几何控制的一瞥，在空间建筑和微型机器人中有潜在的应用（图源自 Science ）

与被动的细胞变形相反，天鹅长吻虫通过纤毛动力学主动地伸展和收缩其颈状突起，并且在其一生中可以毫无故障地重复这一过程超过20,000次。虽然细胞可以有许多不同类型的亚细胞突起，如纤毛、鞭毛、微绒毛、轴突等，但产生天鹅长吻虫极端变形行为的潜在机制尚不清楚。先前解释原生生物形状变化的尝试探讨了丝间剪切调节高斯曲率的作用。 虽然与Euglena的形态动力学有关，但单靠单纯的剪切是不可能将体长延长30倍的。

文章模式图（图源自 Science ）

该研究比较了单细胞形态动力学中最大已知菌株和天鹅长吻虫速率，并确定天鹅长吻虫为异常值。 通过高分辨率成像，该研究发现这种线性延伸是由皮层细胞骨架的螺旋结构支持的，该结构由微管带组成，微管带分层形成多层膜褶。这种特殊的几何形状储存了薄膜和微管细丝，这是快速展开长喙所必需的，形成了弯曲的折纸折痕。 该研究还建立了该折纸的缩放模型，以揭示D锥和扭转耦合动力学如何导致该可展开折纸的非仿射性质(线轴)。

总之，该研究通过绘制天鹅长吻虫细胞骨架的亚细胞几何特征，揭示了单个细胞中极端变形行为的几何控制。 作为微管图案弯曲折纸的一个活生生的例子，该研究对这种结构的更深入的理解为合成具有可转换特性(如可展开性)的基于细胞骨架的生物工程材料打开了新的大门。 该研究工作也为可部署的微型机器人和轻型空间结构提供了直接的灵感。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5511

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