Nature子刊：用光塑造细胞

Nature Physics：Light-induced cortical excitability reveals programmable shape dynamics in starfish oocytes

　　

研究人员使用光刺激来塑造细胞，并开发了一个模型来解释这种机制——这对合成生物学有影响。

所有生物体的一个主要特征是细胞可以动态地改变它们的形状——否则，像细胞分裂这样的基本过程就无法进行。由LMU物理学家Erwin Frey（统计和生物物理学主席教授，ORIGINS卓越集群成员）和麻省理工学院（MIT）的Nikta Fakhri教授领导的一个国际团队，采用实验和理论相结合的方法，首次阐明了细胞动态改变其形状以响应环境影响的机制，并设法从外部控制这一过程。

早期的研究表明，通过自组织蛋白质形成的生物模式在决定细胞形状方面起着至关重要的作用。研究人员利用海星Patiria miniata的卵母细胞（卵细胞）研究了这个复杂的网络，这些卵母细胞在分裂过程中会发生典型的形状变化。

这种形状变化是由两种酶驱动的：小的GTPase Rho和它的激活酶GEF。通过将光可控分子开关结合到GEF酶中，研究人员成功地以一种有针对性的方式光遗传学地影响了卵母细胞的形状动力学。“有了这些开关，我们就能通过光刺激任意调节细胞中的蛋白质分布，从而导致细胞变形，”该研究的主要作者汤姆·伯卡特（Tom Burkart）说。“因此，我们产生了各种各样的变体——从局部挤压到令人印象深刻的方形细胞变形。”

随后，科学家们开发了一个理论模型，描述了光刺激如何通过化学和机械相互作用引发细胞形状的变化。他们确定了两种关键机制：引导变形，其中形状变化局部受限，以及非引导变形，通过自组织的方式在整个细胞中传播。弗雷说：“我们的研究结果表明，活细胞比以前认为的要多才多艺得多。”“这些发现可能对合成细胞和仿生材料的发展产生广泛的影响，并为合成生物学和基于细胞的技术开辟新的机会。”

---

---