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科学家对细菌和癌细胞进行的迷宫实验

来源:中国产业新闻网 编辑:金子 2020-09-16 08:46:30

  细菌和癌细胞的迷宫实验,对生物医学研究具有重要价值,为研究哺乳动物胚胎发育及癌细胞转移的早期过程提供了新的视角。

  也许你只听说过科学家训练老鼠走过迷宫,但你知道细胞和细菌也走过迷宫吗?最新一期《科学》杂志发表了一项有趣的研究:英国癌症研究所和格拉斯哥大学的科学家们制作了一个模拟的哈姆顿迷宫,把细菌和癌细胞放在迷宫里,看看他们是否能够走出迷宫,尤其是生物体或基本的生命单位。

  为什麽要选择两个单位进行迷宫实验呢?他们从迷宫中如何出来?这一发现对人类有什么意义呢?记者就此采访了科技日报的相关专家,请他解释其中的奥秘。

  为什么选择它们走迷宫? 两位“选手”都非等闲之辈且都会移动

  “Dictyostelium discoideum”,这个“你不认识它、它也不认识你”的名字被翻译成盘基网柄菌。

  有这么多微生物,为什么英国癌症研究中心和格拉斯哥大学的科学家认为这种细菌可以走迷宫,并给它机会?

  “盘托竹荪可以形成一个‘身体’,也就是说,它自己‘蹲下’,从而成为一个多细胞体。”中国科学院微生物研究所研究员朱在接受《科技日报》采访时表示,在成为多细胞体后,它们的单细胞仍有相互合作的能力。能够抱成一团,在一个团里做事,盘托竹荪的特性给了科学家一个难题:它是多细胞的还是单细胞的?

  基于这一典型特征,盘基网柄菌在2000年左右被美国国立卫生研究院列为单细胞和多细胞间的模式微生物。生物学者将其用于科学研究,以揭示某些具有普遍规律的生命现象。于是许多科学家对其进行了研究,朱宝利也对其进行了研究。

  “它能迁移很久很远的距离,但移动不明显,也没那么有活力。”朱对说,这得靠一个面来动。如果制作一种平板培养基,可以用肉眼观察到它们被“置换”。而普通细菌形成的菌落是固定的。

  基因研究项目使它成为真正的“明星”。Juperley指出,当时基因组计划包括了50种生物,而盘基网柄菌属由于介于单细胞和多细胞之间,被认为是研究生物进化的重要工具。基因组研究的一个目标是研究生物如何进化到人类,而盘基网柄菌被列为进化的起点。

  与鲜为人知的竹荪相比,癌细胞的“幽灵”是有目共睹的,它会潜伏和转移。《新英格兰》杂志曾报道过一个临床病例:一名肾移植受者在移植的肾脏中出现了黑色素瘤。经连续追踪,发现捐献者20年前有黑色素瘤,但后来治愈。这个案子堪比刑侦大戏,充分说明癌细胞是可以潜伏和转移的。

  在论文中,研究人员也描述了两个生命单元的特殊性:前者能在相距很远的地方找到它的同类,后者则能让癌症迅速遍布全身。

  它们怎样走出迷宫? 营养物的浓度梯度是最好的“记号”

  既然转移是它们的日常,它们又是如何走出迷宫的?

  如同植物总是爱追逐阳光一样,这两种生命单元总是爱追逐营养物质。

  营养驱动力如何转化为细菌和细胞的驱动力?自生梯度是细菌和细胞长距离迁移的驱动力,成为路径决策的驱动力。

  所谓自生梯度就是由细胞降解局部营养物质,给自己制造一个营养浓度差。

  就拿癌细胞来说吧,它被认为是最需要营养的细胞,一旦产生,就会和身体争夺能量,可见它对培养基中的营养物质有很强的分解能力。营养物质在此被“吃掉”,其它地方的营养物质浓度将高于此,进而形成浓度梯度,促使癌细胞向前发展。

  那么它们又是如何判断选哪条路或者哪里是死胡同呢?

  研究迷宫可能会有启发。据记载,走迷宫有三条规则:进入迷宫后,可以选择一条路前进;如果遇到无法通行的死胡同,立即返回,在路口做好标记;如果遇到路口,观察是否有通道。如果有任何段落,请继续。如果没有,沿着原路回到前面的路口,做个标记。然后重复第二条和第三条提到的走法,直到找到出口。

  很显然,根据这样的法则,走迷宫不需要思考,只需要记号。而营养物的浓度梯度是细菌和癌细胞最好的“记号”。

  “死路一条,就是养分耗尽,其他细胞不会再来。如果岔路口最终通向死胡同,也会造成细胞来回穿梭,最终消耗的养分比一条平坦的道路还要多。”朱对解释道。

  从创新的角度出发,整个研究开发了一种观察和计算整个过程的方法,利用自生梯度计算和数学模型预测迷宫中细胞的路径寻找能力,并利用迷宫中真实细胞进行检验。

  走出迷宫意义何在? 为了解癌细胞转移等问题提供了新窗口

  在细胞的发育和迁移过程中,细胞迁移通常受趋化性的指导,即细胞根据某些化学物质的浓度梯度从低浓度迁移到高浓度。

  而这项研究证实,自生梯度可以为细菌和细胞在长而曲折的路径上导航,并在活路和死胡同之间做出准确的选择,这使得细胞能够有效地解决复杂的迷宫问题。

  研究人员还给出了一个数学描述,描述了细胞寻找活路径的准确性与诱饵扩散速率、细胞速度、路径复杂度之间的确切关系,并预测了其成功率。

  这一发现在生物医学领域具有重要价值,例如,它为研究哺乳动物胚胎发育的早期过程和癌细胞转移提供了一个新的研究窗口。

  也许你仍然对细菌和癌细胞能够穿越迷宫感到惊讶。但是,从进化的角度来看,不管是微生物还是癌细胞,他们都在地球上存活了很长时间,而年轻的人类也许只是停留在这些远古生物创造的“迷宫”门口。

责任编辑:金子
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