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表面和界面

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变形小泡模仿活细胞

04 Sep 2014
各种囊泡

国际科学家团队揭开了以振荡的表面图案和像生物细胞这样的发芽附件旋转的微观囊泡。研究人员说,微小的物体可能是变形软材料发展的重要一步,甚至可能揭示某些生物过程。

使用脂质双分子层和在活细胞中发现的其他成分来产生囊泡。这项工作是由Technische大学的科学家完成的ät Mü德国的nchen(TUM),美国的布兰代斯大学和锡拉丘兹大学,意大利的SISSA国际高级学院和荷兰的莱顿大学

通过创建人造细胞骨架来实现形状转换,人造细胞骨架是在活细胞中发现的微管的动态结构。“在这里,我们第一次设法重构了囊泡内的部分细胞骨架–在活跃状态下,这意味着不断在囊泡内部施加力,从而导致囊泡变形和形状转变,” 安德烈亚斯(Andreas Bausch)TUM的研究员兼团队负责人告诉我们 physicsworld.com.

电机和脚手架

该研究小组形成了直径为数十微米的脂质双层囊泡,并为其提供了微管内衬。研究人员还添加了驱动蛋白分子马达,它们以簇的形式结合在一起,从而在微管之间形成交联。所产生的微管束将自身作为向列膜附着在每个囊泡的内表面–具有液晶的流体和自组装特性的平行分子的单层。

如先前对球形表面上向列流体的研究一样,平行排列分子的平板必须弯曲以符合圆形表面。结果,在平行线之间形成了类似于在指纹中看到的环的缺陷。当膜中的吸引力达到平衡时,缺陷彼此分开并以相等的距离稳定下来。球的奇异点的典型数目是4,该奇点在小泡内的假想四面体的点处停止。

然而,驱动蛋白马达确保了缺陷不会长时间保留。分子马达簇锁在相邻的微管上,并以相反的方向拉动它们,迫使长分子彼此纵向滑动。这种连续的动作保持稳定的向外推动,迫使每个束保持伸长。

迁移奇点

从其稳定的四面体点推出后,奇异点迁移到新的位置,在所有四个点都位于同一平面的情况下经过定向,然后再次进入新的四面体。随着奇异点被迫离开那些位置并开始另一个振荡,运动继续进行。

通过在囊泡的内部和外部之间形成渗透梯度,研究人员可以产生类似于某些活细胞中丝状伪足的臂状突起。当渗透压使囊泡收缩时,多余的膜变得可用。在缺陷中,微管平行排列并作为新的附件向外延伸时,迅速吸收了多余的膜。当渗透压逆转时,肿胀的囊泡收回多余的膜,收回附件。

“To me, it’s very cool; it’s dynamism,” says 戴维·尼尔森 哈佛大学。尼尔森(Nelson)解释说,以前所有关于圆形表面向列膜的研究都集中在平衡的膜上。缺陷已经形成,但没有移动,也没有人设计出能够生长出丝状伪足样附件的囊泡。“他们使这些缺陷变得生动起来,” he says.

手绘面

兰德尔·卡米恩(Randall Kamien) 宾夕法尼亚大学的学院指出了三个重要领域。“首先,这表明控制平衡行为的拓扑约束在非平衡状态下的反应差异很大,” he says. “其次[引用描述工作的论文中的数字],看起来像手工制作面条的美丽方式表明该机制可以用于几微米水平的混合。最后,这些状态的振荡频率大约是每一百秒一次。细胞周期通常更长。振荡器在这个时间尺度上会扮演什么角色 体内?它们存在于细胞中吗?”

博士和他的同事们致力于未来对基础生物学的见解。“[我们想]通过自下而上的方法来重建生物的复杂性,” he says. “The big goal –非常非常长期–是为了重建细胞功能,例如细胞迁移或细胞分裂。这只是第一步。”

文森佐·维泰利 莱顿大学的教授也认为,这项研究可以增进我们对生物学的理解。“这些合成结构非常接近生物体,可以洞悉早期生命形式的行为,这些行为标志着无生命物质向生物物质的转变,”维泰利说,他没有参与这项研究。

囊泡在 科学.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年