神奇！细胞轻松找到树篱迷宫出口 不仅“看清拐角”还能完美避开死角

图片来源：Luke Tweedy, Michele Zagnoni, Cancer Research UK

对于单个细胞来说，人体是一个由组织、化学物质和毛细血管组成的巨大迷宫，里面塞满了数万亿个其它细胞，它们就像世界上最繁忙车站里的上班族一样忙碌。不知何故，在这样错综复杂的路线中，大多数细胞仍然设法抵达目的地。

它们是怎么做到的呢？许多细胞都有一种叫做趋化性（chemotaxis）的诀窍——本质上，就是通过感知环境中是否存在化学引诱剂来导航的能力。精子细胞利用趋化作用寻找卵子，白细胞利用趋化作用聚集在感染部位，癌细胞利用趋化作用通过脆弱组织转移。

那么，变形虫（阿米巴原虫，单细胞生物）能利用趋化性来解决世界上著名的树篱迷宫吗？这正是当地时间8月27日发表在《科学》杂志上的一项新研究中所发生的事情。

为了测试走得最远的细胞所使用的一种特定的趋化作用，研究人员制作了汉普顿宫(国王亨利八世及其后代的住所)树篱迷宫的微型版本，再加上几十个不同复杂度的微型迷宫。值得注意的是，研究作者Robert Insall说，当变形虫在迷宫中被释放出来时，它们以令人难以置信的精确度冲向出口，利用趋化作用有效地“看清拐角”，在到达死角之前就完美避开死角。

“细胞不会等着别人来告诉它们该做什么。”苏格兰格拉斯哥大学的数学和计算细胞生物学教授Insall表示，“通过分解它们面前的化学物质，它们知道迷宫的哪个支路通向死胡同，哪个支路通向出口，这绝对是令人难以置信的！” 

迷宫中的细胞

在他们的新研究中，研究人员专注于一种特殊形式的细胞导航，被称为“自我生成”趋化性。它的原理很简单：细胞希望从引诱剂浓度较低的区域(在这种情况下，引诱剂是一种酸性溶液，称为单磷酸腺苷)转移到高浓度区域。

“这有点像一句老话，‘篱笆那边的草总是更绿。’” Insall说，“牛已经吃完了所有的草，它们想要到周围还在长草的地里去。” 

但有时会有多个“领域”可供选择，本研究通过迷宫的多个分支路径说明了这一点。为了确定哪个分支拥有高浓度的引诱剂，细胞分解它们面前的分子，使附近区域的引诱剂向它们扩散。随着细胞向前移动，它们前面的引诱剂消耗越来越多；最终，即使在细胞到达死胡同的出口之前，迷宫中短的、死胡同的分支吸引剂也会完全耗尽。Insall说，当细胞面对一个短的、耗尽的分支和一个长的、充满吸引物的分枝时，它们永远不会走到尽头。

Insall说:“它们真的能看到拐角！”

研究人员在他们的研究开始时用电脑模型说明了这一现象，但他们也想看到实际效果。因此，他们在硅芯片上蚀刻凹槽，创造了100多个微观迷宫，每个凹槽的宽度在10到40微米之间。(作为对比，人类最薄的头发只有20微米宽)。

迷宫难度从简单(退出前几个分支路径)、困难(长终端路径,像汉普顿宫树篱迷宫复制版)，到不可能完成（根据Insall,苏格兰特拉奎尔宅迷宫的复制版被取消,因为所有的变形虫在解开谜团之前死亡）。 

研究人员将这些微小的迷宫置于橡胶中，然后用管道从迷宫出口导入的液体引诱剂淹没迷宫。在每个迷宫开始的时候，被称为盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)的土壤阿米巴原虫排成一排，开始往前游，把前面的液体分子分解掉。Insall说，最长的迷宫需要2个小时才能解开，而较短的那些只花了30分钟。

在现实生活中，细胞的表现完全符合该团队模型的预测;当面临一条短的死胡同和一条通往出口的长胡同的选择时，细胞总是选择长胡同。在困难版的迷宫中，包括与正确路径一样长的死胡同，细胞选择的正确率约为50%。在这两种情况下，最先进入迷宫的细胞最有可能到达出口; 分散的细胞找到了每一条路径，甚至是正确的那条，已经被竞争对手耗尽了引诱剂，使得分散的细胞不知道该去哪里。

“细胞通过分解化学物质所能读取的信息量比任何人想象的都要复杂。” Insall说，“这让我们认为，大多数生物问题，即细胞必须找到从一个地方到另一个地方的路径，几乎可以肯定使用这样的机制。”

尽管研究的重点是阿米巴原虫，但研究人员相信，研究结果应该适用于任何数量的人体细胞——无论是快速穿过组织到达感染处的血细胞，还是沿着大脑白质通道游弋的恶性胶质母细胞瘤细胞。引诱剂的类型可能在每种情况下都是不同的(而且，在许多情况下，科学家还不清楚)，但是对于那些在我们身体的迷宫中行走的细胞来说，弄清楚哪里的草更绿可能是最好的方法。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.livescience.com/cells-solve-mazes-chemotaxis.html