原创 新发现：细胞利用指头结构感知环境

据科学日报报道，细胞具有类似手指的突出部分以感受它们的周围环境。它们可以检测化学环境并利用超敏感的传感器“感知”周围的物理环境。丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所 进行的最新研究展示了这些名为丝状伪足的类似指头的结构是如何在动态运动中自我伸展、收缩和弯曲。这项研究结果被发表在期刊《美国国家科学院院刊》上。
 

在很多生物过程中，细胞相互作用和与环境的交流对于它们功能的正常运转至关重要。为了感知周围环境，细胞会使用类似手指的结构，后者其实是细胞膜里类似管子的突出物。这些名为丝状伪足的管子能够将化学环境和物理环境的信息传递给细胞。例如，这些细胞会利用丝状伪足结构用于胚胎发育，以发展神经细胞，并当细胞（例如巨噬细胞）需要朝病原菌移动时移除它们。

“丝状伪足结构非常具有动态性，能够在任何方向活跃的收缩、伸展和弯曲。但究竟是什么导致它们可以移动，它们是如何控制自己的移动，它们所使用的力是什么呢？这就是我们想要查明的问题。” 尼尔斯玻尔研究所生物复杂性研究小组的助理教授保罗·马丁·本迪克斯（Poul Martin Bendix）这样说道。

研究人员娜塔莎·雷林瑟（Natascha Leijnse）、琳恩·奥德尔赦德（Lene Oddershede）和本迪克斯利用激光捕获(OPTICAL TRAP)研究了丝状伪足的物理特性，激光捕获是一台可以利用高度集中的激光影响单个活体细胞的显微镜，目的是观测、测量和追随这些细胞的运动。

为了更好的追踪这些运动，研究人员将一个小塑料球放在丝状伪足结构的顶端，通过进行高度敏感的力测量，它们可以测量单个丝状伪足的动态活动。除了力测量，丝状伪足的内部“骨骼”肌动蛋白——导致丝状伪足运动的主要结构——被贴上了荧光标记，从而在显微镜下检测它们的运动。

发现新机制

“在实验里我们抓住了位于丝状伪足触角末端的球并利用超敏感的力显微镜拖拽了它长达20分钟。我们可以测量到细胞以1-100皮牛顿力的力也在拖拽小球——这相当于单个红血球的引力。此外，研究还显示了丝状伪足移动的一个新机制。我们观察到丝状伪足内部的肌动蛋白显示出被标记的扭转运动，当它被拖回来时就形成了螺旋褶皱——就像当你扭转一根橡皮筋时，紧紧抓住一端并拉另一端时的情景。” 本迪克斯解释道。

研究人员在测量细胞收缩时，利用荧光显微镜将这些螺旋褶皱拍摄下来。在肌动蛋白结构里形成螺旋的旋转机制对于丝状伪足通过旋转运动探索周围环境来说至关重要。“这些新结构显示了一项令人惊讶的新机制，也即旋转转化为一种机械特性使得细胞可以与周围临近细胞发生相互作用。” 本迪克斯表示。

他解释称螺旋形状的结构在自然界处处可见，例如螺旋状的DNA链，以及类似头发的鞭毛和纤毛，后者是某种旋转的双螺旋使得细菌和精子细胞可以游泳。

螺旋形状的丝状伪足之前被理论预测存在，但这些预测是基于螺旋形成完全不同的机制。然而，通过对膜管内部的旋转肌动蛋白结构进行建模，也可以理论上证明这些螺旋形状褶皱的存在。“我们的结果显示，在研究生物机制时，实验和理论计算是可以完美的结合。” 本迪克斯这样说道。