PNAS：知名华裔学者跨界人造器官

美国德州大学的生物学家与知名华裔教授鲁红兵（Hongbing Lu）合作，成功控制了生物膜的褶皱性形成，向人造器官迈进了重要一步。该研究发表在美国国家科学院院刊的网站上，揭示了细菌形成生物膜三维结构的机制，为人们提供了细胞、组织和器官形成的基础信息。

　　

生物通报道：美国德州大学的生物学家与机械工程师合作成功控制了生物膜的褶皱性形成，向人造器官迈进了重要一步。该研究发表在美国国家科学院院刊的网站上，揭示了细菌形成生物膜三维结构的机制，为人们提供了细胞、组织和器官形成的基础信息。

“要创造人造器官，关键在于了解细胞自我组织的机制，”该研究的作者之一，德州大学著名华裔教授鲁红兵（Hongbing Lu）介绍道， “我们发现细胞死亡是生物膜形成褶皱的原因，而且细胞越硬褶皱就越少。”鲁红兵教授是纳米力学的专家，他于1988年获得北京清华大学机械工程硕士，1997年获得加州理工大学航空学博士，是达拉斯德州大学机械工程系的首任主任，他于2009年当选美国航空航天学会的通信院士（Associate Fellow）。

器官形成是不同细胞组织起来的结果。人们发现细胞及其外环境的累积会形成薄薄的生物膜，而这些生物膜呈现褶皱样的三维形态。在细胞组成3D宏观结构的过程中存在怎样的相互作用和机械力机制，人们对此并不了解。

文章资深作者，加州大学圣迭戈分校的Gürol Süel博士及其同事注意到生物膜褶皱形态中的死亡细胞，于是他们与鲁教授合作来研究细胞死亡和褶皱的先后关系。

研究人员通过研究枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis形成的生物膜褶皱，发现了局部细胞死亡影响机械力从而导致褶皱形成的模式。研究人员敲除了生物膜发展涉及的基因，并结合数学模型进行研究，研究显示决定细胞死亡位点的是细胞外基质ECM。研究人员发现，生物膜中一群细胞一同死亡导致褶皱形成，而且生物膜的硬度影响着褶皱形成。这一重要发现点明了生物学与机械力的共同作用，形成了构建组织或器官结构的首个理论基础。

“控制生物膜的软硬有许多途径，然后你要做的就是控制褶皱产生，并决定这些细胞所形成的最终结构，”鲁教授说。

研究人员利用枯草芽孢杆菌形成生物膜，通过控制细胞死亡的位点，成功建立了人工褶皱模式，证明了他们的理论。“枯草芽孢杆菌与其他细胞有许多相似之处，”Lu说。“了解枯草芽孢杆菌形成生物膜的机制，等于开启了一扇通向高等生物研究的大门。

鲁教授介绍，他们下一步将利用更高等生物的细胞来建立更具组织性的3D结构。研究者们认为，通过控制细胞死亡来形成人造3D结构，是日后利用细胞构建宏观结构的基础。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Localized cell death focuses mechanical forces during 3D patterning in a biofilm

From microbial biofilm communities to multicellular organisms, 3D macroscopic structures develop through poorly understood interplay between cellular processes and mechanical forces. Investigating wrinkled biofilms of Bacillus subtilis, we discovered a pattern of localized cell death that spatially focuses mechanical forces, and thereby initiates wrinkle formation. Deletion of genes implicated in biofilm development, together with mathematical modeling, revealed that ECM production underlies the localization of cell death. Simultaneously with cell death, we quantitatively measured mechanical stiffness and movement in WT and mutant biofilms. Results suggest that localized cell death provides an outlet for lateral compressive forces, thereby promoting vertical mechanical buckling, which subsequently leads to wrinkle formation. Guided by these findings, we were able to generate artificial wrinkle patterns within biofilms. Formation of 3D structures facilitated by cell death may underlie self-organization in other developmental systems, and could enable engineering of macroscopic structures from cell populations.