大自然的精密3D打印机

维也纳大学Max Perutz实验室的分子生物学家Florian Raible领导的一项新的跨学科研究为海洋环节动物蠕虫Platynereis dumerilii的刚毛提供了令人兴奋的见解。被称为成毛细胞的特殊细胞控制着刚毛的形成。它们的操作模式与技术3D打印机惊人地相似。该项目由赫尔辛基大学、维也纳理工大学和布尔诺马萨里克大学的研究人员合作完成。这项研究最近发表在著名的杂志上Nature Communications。

　　

更好地了解这种自然形成过程为技术发展提供了潜力。

几丁质是昆虫外骨骼和刚毛蠕虫（如海洋环节蠕虫沙蚕Platynereis dumerilii）的刚毛的主要建筑材料。然而，刚毛蠕虫有一种更柔软的几丁质，即所谓的β几丁质，它在生物医学上的应用特别有趣。刚毛可以让蠕虫在水中移动。

甲壳素（chitin）首先是由法国研究自然科学史的布拉克诺（H. Bracolmot）教授于1811年在蘑菇中发现，并命名为Fungine。1823年，另一位法国科学家奥吉尔从甲壳类昆虫的翅鞘中分离出同样的物质，并命名为几丁质。到目前为止，甲壳素究竟是如何形成独特的刚毛的仍然是个谜。这项新研究现在为这种特殊的生物发生提供了令人兴奋的见解。

Florian Raible解释说:“这个过程从刚毛的尖端开始，然后是中间部分，最后是刚毛的底部。完成的零件被推离身体越来越远。在这个开发过程中，重要的功能单元是一个接一个，一块接一块地创建的，这与3D打印类似。”

海洋蠕虫刚毛的生物发生

更好地了解这些过程也有助于开发未来的医疗产品或生产自然可降解材料。例如，来自鱿鱼背壳的β -几丁质目前被用作生产耐受性特别好的伤口敷料的原料。“也许在未来，也有可能使用环节动物细胞来生产这种材料，”Raible说。

成毛细胞在几丁质形成中的作用

确切的生物学背景是:所谓的成毛细胞在这个过程中起着核心作用。成毛细胞是具有长表面结构的特化细胞，即所谓的微绒毛。这些微绒毛含有一种特殊的酶，研究人员可以证明这种酶负责几丁质的形成，而几丁质是最终形成刚毛的材料。研究人员的结果显示了一个以几何排列的微绒毛为特征的动态细胞表面。

单个微绒毛的功能类似于3D打印机的喷嘴。Florian Raible解释说:“我们的分析表明，几丁质是由成毛细胞的单个微绒毛产生的。因此，随着时间的推移，这些微绒毛的数量和形状的精确变化是塑造单个刚毛几何结构的关键，例如刚毛尖端的单个牙齿，精确到亚微米范围。”刚毛通常在两天内发育，可以有不同的形状;根据蠕虫的发育阶段，它们或短或长，或尖或平。

刚毛成像技术的进展

除了与维也纳科技大学和布尔诺大学成像专家的当地合作外，与赫尔辛基大学Jokitalo实验室的合作证明对维也纳大学的研究人员有很大的好处。利用他们在连续块面扫描电子显微镜(SBF-SEM)方面的专业知识，研究人员研究了微绒毛在刚毛形成过程中的排列，并提出了刚毛形成合成的3D模型。来自维也纳大学的第一作者Kyojiro Ikeda解释说:“标准的电子断层扫描是非常劳动密集型的，因为样品的切割和在电子显微镜下的检查必须手工完成。然而，通过这种方法，我们可以可靠地自动分析数千层。”

Raible小组目前正致力于提高观察的分辨率，以揭示更多关于刚毛生物发生的细节。

参考文献:“Dynamic microvilli sculpt bristles at nanometric scale” by Kyojiro N. Ikeda, Ilya Belevich, Luis Zelaya-Lainez, Lukas Orel, Josef Füssl, Jaromír Gumulec, Christian Hellmich, Eija Jokitalo and Florian Raible, 13 May 2024, Nature Communications.