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探寻生命的物理学
来源:     作者:      2016-10-08 16:55       
摘要:起初,Zvonimir Dogic和学生选取了微管,并将其和驱动蛋白混在一起。前者是构成细胞内部骨架一部分的丝状蛋白,而后者是沿着这些“丝”穿行的马达蛋白。随后,研究人员让这种“鸡尾酒”的液滴悬浮在油上,并为其提供了名为三磷酸腺苷(ATP)的分子燃料。




群集的鸟类能同步形成一定模式。图片来源:Hans Overduin/NIS/Minden/Getty


起初,Zvonimir Dogic和学生选取了微管,并将其和驱动蛋白混在一起。前者是构成细胞内部骨架一部分的丝状蛋白,而后者是沿着这些“丝”穿行的马达蛋白。随后,研究人员让这种“鸡尾酒”的液滴悬浮在油上,并为其提供了名为三磷酸腺苷(ATP)的分子燃料。


令该团队惊奇和喜悦的是,这些分子自己组织形成了在每个液滴表面呈现出漩涡状的大尺度模式。身为美国马萨诸塞州布兰戴斯大学物理学家的Dogic介绍说,被蛋白连接起来的一大捆微管共同移动,就像“音乐会上一个人被举到头顶传来传去”。


通过这些在2012年被发表的试验,Dogic团队创建了一种新的液态晶。和作为对电场响应被动形成模式的标准液态晶显示中的分子不同,Dogic的成分非常活跃。它们能自我驱动,从周围环境,从ATP中摄取能量。同时,得益于独立移动的上千个单元的集体行为,它们能自发形成模式。


这些是被物理学家称为活性物的系统(过去几年里已成为一个重要研究对象)的特点。自然界中这样的例子不胜枚举,包括没有领头者但能连续飞行的鸟群以及流动的、形成结构的细胞骨架。它们被越来越多地在实验室中制造出来:研究人员利用诸如微管等生物学构造和包括把灯打开时会形成结构的微米级光敏塑性“游泳者”在内的合成成分,合成了活性物。“活性物”一词出现在标题或摘要中,并且经过同行评议的论文产出量从10年前的每年不到10篇增加到去年的近70篇。同时,去年陆续举办了一些关于该主题的国际研讨会。


生物体的自我组织


所有已知生命形式都基于自我驱动的、联合起来创建大尺度结构和移动的实体物。如果这没有发生,生物体将被限于利用诸如扩散等缓慢很多且被动的过程移动细胞或组织内的DNA和蛋白。同时,很多生命的复杂结构和功能可能永远不会进化出来。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,但关于分子过程的研究主要集中在辨别令人眼花缭乱的大量相关分子上,而不是阐明它们自我组织的机制。于是,如今被称为活性物研究的领域直到上世纪90年代中期才开始起步。


最有影响力的早期试验之一由当时在普林斯顿大学任教、如今在洛克菲勒大学工作的生物物理学家Stanislas Leibler带领的团队开展。这是最早证实像生命一样的复杂结构能自我组装微管和一些蛋白的团队之一。差不多同时,匈牙利布达佩斯罗兰大学理论生物物理学家Tamás Vicsek提出了一个颇具影响力的活性物模型。上世纪90年代初,Vicsek试图解释鸟群、细菌菌落和细胞骨架组件的集体运动。


他从德国物理学家Werner Heisenberg在1928年发明的一个磁性材料模型中找到了起点。Heisenberg将每个原子想象成自由旋转的条形磁铁,并且发现当这些原子磁铁之间的相互作用使它们中的大多数排成一条直线时,大范围磁性出现了。为解释活性物,Vicsek用移动的“箭头”代替这些微型磁铁,而“箭头”象征的颗粒物拥有同其“邻居”的平均速度相一致的速度,尽管存在一定的随机误差。这就是如今所谓的Vicsek鸟群模型。他的模拟显示,当足够多的“箭头”被塞进一个足够小的空间中,它们开始以同人们所熟悉的鸟群和鱼群移动极其相似的模式运动。


1994年,听了Vicsek关于此方面演讲的John Toner被这一观点吸引。如今在俄勒冈大学工作的Toner认为,Vicsek成群移动的“箭头”能被建模为连续流体。他利用描述从茶壶到海洋等所有物体中液体流动的流体动力学标准方程,将其进行改进,以便解释单个颗粒物是如何利用能量的。Toner的流体模型和Vicsek的离散粒子模型就一系列现象给出了基本相同的预测,并且带来了活性物模拟“家庭作坊”的兴起。


这里面仅有一个问题。法国巴黎高等师范学校物理学家Denis Bartolo表示,虽然模拟的活性物数量飙升,“但定量试验的数量没变,并且几乎接近于零”。实际工作颇具挑战:没有人想利用1万只鸟或1万条鱼开展控制试验。在微观尺度上,极少有科学家同时熟悉必需的理论工作和提纯分子组分所需的生物学实验室技术。


理论和实验相结合


直到本世纪初,理论和实验部分才开始结合起来。慕尼黑工业大学物理学家Andreas Bausch领导了最早的精确定量试验之一。他和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”,而后者是在肌动蛋白上“行走”并且使肌肉收缩的分子马达。研究人员加入肌球蛋白的天然燃料——ATP,然后将混合物放在显微镜载片上并且进行观察。在较低浓度下,肌动蛋白“细丝”四处游荡,没有出现可以辨别的顺序。但在较高密度下,它们形成了跳动的簇群、漩涡和环状物。Bausch和同事随机识别并量化了Vicsek和其他人曾预测的相变类型。他们在2010年发表的文章帮助刺激了实验性活性物领域的兴起。


紧随其后的研究还有Dogic在2012年开展的微管实验。他利用了另一种“行走”的蛋白——驱动蛋白。由此获得的模式比Bausch见到的更加复杂和有活力:流动的微管像移动中的指纹螺纹。Dogic和团队成员还注意到,这种流动形成的有序排列偶尔会破裂并产生“缺陷”:像南北极经线交会一样的模式不连续性。这些“缺陷”非常有活力,像自我驱动的颗粒物一样四处运动。


当时,没有任何一种理论能解释这种行为。2014年,Dogic和Bausch、雪城大学物理学家Cristina Marchetti合作,从缺陷移动而非单个晶体组件的角度描述了活性液态晶在球形小泡上旋转的行为。同时,该团队发现,可通过调整小泡的直径和表面张力,改变缺陷的运动。这为控制活性晶体提供了一种可能的方法。


领域融合提升接受度


一些生物学家希望,此类研究将揭示控制细胞如何分裂、成形或运动的基本原理。“这就像达尔文出现前的林奈分类法。”马克斯普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所生物学家Tony Hyman表示,“我们已获得所有这些分子,就像他们拥有了所有物种,而我们需要将一些顺序和逻辑加进去。”Hyman认为,活性物能提供这种逻辑。


不过,即便是狂热者也承认,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掉。”Hyman说,部分原因在于手稿中运用了大量数学知识,使其很难找到评审者。耶鲁大学分子生物物理学家Jonathon Howard则认为,即使是“活性物”一词,可能都会有碍交流。“它有点像物理学术语。”


不过,Howard和Hyman仍希望,随着领域之间的融合不断增加,接受度将有所提升。Hyman说:“我认为,即将出现的新一代生物学家从一开始便会获得物理学方面的培训。”


德累斯顿工业大学生物物理学家Stephan Grill认为,这是好事,因为活性物研究的进步需要处于物理学和生物学研究前沿的科学家。“最终的宝藏位于交界处,但你不得不将这两个领域推向它们的极限。”(宗华)