沒(méi)大腦的細(xì)菌和癌細(xì)胞 憑什么走出曲折復(fù)雜的迷宮

科學(xué)家對(duì)細(xì)菌和癌細(xì)胞進(jìn)行的迷宮實(shí)驗(yàn)，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)有著十分重要的價(jià)值，它為了解哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的早期過(guò)程，以及癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移提供了新的研究窗口。

或許你只聽(tīng)說(shuō)過(guò)科學(xué)家訓(xùn)練小鼠走迷宮，但是你知道細(xì)胞和細(xì)菌也會(huì)走迷宮嗎?最新一期《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)很有意思的研究：英國(guó)癌癥研究所和格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家們制作了一個(gè)漢普敦宮迷宮的模擬版，將細(xì)菌和癌癥細(xì)胞放入其中，看它們能否走出迷宮，沒(méi)想到無(wú)論是低等生物還是生命的基本單元都完成了這個(gè)任務(wù)。

科學(xué)家為什么會(huì)選擇這兩種生命單元進(jìn)行迷宮試驗(yàn)?它們是怎么走出迷宮的?這個(gè)研究結(jié)果對(duì)于人類來(lái)說(shuō)有何意義?科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪了相關(guān)專家，請(qǐng)他講講其中的奧秘。

“Dictyostelium discoideum”，這個(gè)“你不認(rèn)識(shí)它、它也不認(rèn)識(shí)你”的名字被翻譯成盤基網(wǎng)柄菌。為什么選擇它們走迷宮? 兩位“選手”都非等閑之輩且都會(huì)移動(dòng)

微生物那么多，英國(guó)癌癥研究所和格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家們?yōu)槭裁磿?huì)認(rèn)為這種細(xì)菌能走迷宮，并給了它這個(gè)機(jī)會(huì)呢?

“盤基網(wǎng)柄菌可以形成‘體’，即把自己‘摞’起來(lái)，從而抱團(tuán)成為多細(xì)胞體。”中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員朱寶利告訴科技日?qǐng)?bào)記者，成為多細(xì)胞體之后，它們的單細(xì)胞之間還有協(xié)作能力。能抱團(tuán)還能組團(tuán)做事，盤基網(wǎng)柄菌這樣的特性給科學(xué)家們出了一個(gè)難題：它究竟是多細(xì)胞還是單細(xì)胞呢?

由于這種典型特性，在2000年前后，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院把盤基網(wǎng)柄菌列為一種介于單細(xì)胞和多細(xì)胞之間的模式生物。生物學(xué)家專門用它們進(jìn)行科學(xué)研究，用于揭示某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象。因此很多科學(xué)家用它做過(guò)研究，朱寶利也研究過(guò)它。

“它能夠長(zhǎng)期、長(zhǎng)距離地遷徙，但移動(dòng)得不太明顯，沒(méi)有那么大活力。”朱寶利說(shuō)，它得依靠一個(gè)表面才能動(dòng)。如果制作一個(gè)平培養(yǎng)基，可以直觀觀察到它們是有“位移”的。而普通細(xì)菌形成的菌落是固定的。

真正讓它成為“明星”的是基因組研究計(jì)劃。朱寶利介紹，當(dāng)時(shí)的基因組計(jì)劃中納入了50種生物，盤基網(wǎng)柄菌由于介于單細(xì)胞和多細(xì)胞之間，被認(rèn)為對(duì)于研究生物的進(jìn)化非常有意義。研究生物如何進(jìn)化到人類是基因組研究的一項(xiàng)目標(biāo)，而盤基網(wǎng)柄菌被列為進(jìn)化的起點(diǎn)。

相較于盤基網(wǎng)柄菌的鮮為人知，癌癥細(xì)胞的“神出鬼沒(méi)”有目共睹，它會(huì)潛伏、還會(huì)轉(zhuǎn)移?！缎掠⒏裉m》雜志曾報(bào)道過(guò)一例臨床案例：一個(gè)腎移植受者的移植腎里長(zhǎng)出一個(gè)黑色素瘤，排除自身的各種因素，持續(xù)追查之后才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是供者在20年前得過(guò)黑色素瘤，但后來(lái)治好了。這個(gè)堪比刑偵大劇的案例，充分說(shuō)明癌癥細(xì)胞會(huì)潛伏、能轉(zhuǎn)移。

在論文中，研究人員也描述了兩個(gè)生命單元的特殊性：前者能在相距很遠(yuǎn)的地方找到它的同類，后者則能讓癌癥迅速遍布全身。

它們?cè)鯓幼叱雒詫m? 營(yíng)養(yǎng)物的濃度梯度是最好的“記號(hào)”

既然轉(zhuǎn)移是它們的日常，它們又是如何走出迷宮的?

如同植物總是愛(ài)追逐陽(yáng)光一樣，這兩種生命單元總是愛(ài)追逐營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

營(yíng)養(yǎng)的驅(qū)動(dòng)力如何轉(zhuǎn)化成細(xì)菌和細(xì)胞的移動(dòng)動(dòng)力呢?論文中給出解釋，自生梯度形成了細(xì)菌和細(xì)胞“長(zhǎng)途遷移”的驅(qū)動(dòng)力，并成為路線決策的驅(qū)動(dòng)力。

所謂自生梯度就是由細(xì)胞降解局部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，給自己制造一個(gè)營(yíng)養(yǎng)濃度差。

以癌癥細(xì)胞為例，它被公認(rèn)為是最需要養(yǎng)分的細(xì)胞，一旦生成就會(huì)與機(jī)體爭(zhēng)搶能量，可見(jiàn)它對(duì)培養(yǎng)基中的養(yǎng)分有著強(qiáng)大的分解能力。這里的養(yǎng)分被“吃”光了，其他地方的養(yǎng)分濃度就會(huì)比這里的養(yǎng)分濃度高，進(jìn)而形成濃度梯度，推動(dòng)癌細(xì)胞前進(jìn)。

那么它們又是如何判斷選哪條路或者哪里是死胡同呢?

研究迷宮的走法或許會(huì)有所啟發(fā)。據(jù)記載，迷宮的走法規(guī)則有3條：進(jìn)入迷宮后，可以任選一條道路往前走;如果遇到走不通的死胡同，就馬上返回，并在該路口做個(gè)記號(hào);如果遇到了叉路口，觀察一下是否還有沒(méi)有走過(guò)的通道，有就任選一條通道往前走，沒(méi)有就順著原路返回上一個(gè)叉路口，并做個(gè)記號(hào)。然后就重復(fù)第二條和第三條所說(shuō)的走法，直到找到出口為止。

很顯然，根據(jù)這樣的法則，走迷宮不需要思考，只需要記號(hào)。而營(yíng)養(yǎng)物的濃度梯度是細(xì)菌和癌細(xì)胞最好的“記號(hào)”。

“死胡同意味著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)消耗殆盡，其他細(xì)胞也就不會(huì)再來(lái)，而岔路如果最終導(dǎo)向死胡同，也會(huì)造成細(xì)胞的往返，最終比順暢的路消耗更多的營(yíng)養(yǎng)。”朱寶利解釋。

從創(chuàng)新性而言，整個(gè)研究發(fā)明了能夠觀測(cè)和計(jì)算整個(gè)過(guò)程的方法，利用自生梯度的計(jì)算和數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)迷宮中細(xì)胞的尋路能力，并用迷宮中的實(shí)際細(xì)胞來(lái)測(cè)試結(jié)果。

走出迷宮意義何在? 為了解癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移等問(wèn)題提供了新窗口

在發(fā)育和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，細(xì)胞遷移通常由趨化性引導(dǎo)，即細(xì)胞會(huì)根據(jù)某些化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度，從低濃度向高濃度區(qū)域遷移。但人們往往關(guān)注環(huán)境中的趨化作用，事實(shí)上很多時(shí)候環(huán)境梯度不能引導(dǎo)細(xì)胞越過(guò)復(fù)雜的環(huán)境遷移到很遠(yuǎn)的地方。

而這項(xiàng)研究證實(shí)，自生梯度可以為細(xì)菌和細(xì)胞在長(zhǎng)而曲折的路徑上導(dǎo)航，并在活路和死胡同之間做出準(zhǔn)確的選擇，這使得細(xì)胞能夠有效地解決復(fù)雜的迷宮問(wèn)題。

研究者們還用數(shù)學(xué)的方式做了精確描述，找到了細(xì)胞尋找活路的準(zhǔn)確性與引誘劑擴(kuò)散率、細(xì)胞速度、路徑復(fù)雜度的關(guān)系，并能預(yù)測(cè)其成功率。

這項(xiàng)結(jié)果對(duì)于生物醫(yī)學(xué)有著十分重要的價(jià)值，比如它為了解哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的早期過(guò)程，以及癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移提供了新的研究窗口。

或許你還在為細(xì)菌和癌細(xì)胞會(huì)走迷宮的技能感到驚奇。但從進(jìn)化的角度來(lái)看，無(wú)論是微生物還是癌細(xì)胞，它們已經(jīng)在地球上生存許久，年輕的人類現(xiàn)在可能僅僅只是在這些古老生物創(chuàng)造的“迷宮”門口徘徊。

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發(fā)現(xiàn)“癌細(xì)胞與原始細(xì)胞很像”的證據(jù)

一直以來(lái)，癌癥細(xì)胞一直是人類棘手的對(duì)頭，也是醫(yī)學(xué)研究最多的對(duì)象。

過(guò)去的一些研究給出了“癌細(xì)胞與原始細(xì)胞很像”的一些證據(jù)。比如，病毒、有害菌、有害化學(xué)物侵入之后，“潛入”細(xì)胞生命活動(dòng)打擊細(xì)胞，而原始細(xì)胞會(huì)用休眠應(yīng)對(duì)危害，當(dāng)這些危害自然衰退后，再啟動(dòng)生命活動(dòng)。這種“臥薪嘗膽、伺機(jī)再戰(zhàn)”的特性也被發(fā)現(xiàn)在一些癌癥細(xì)胞中存在。

值得一提的是，這個(gè)研究給“癌細(xì)胞與原始細(xì)胞很像”找到了更確鑿的證據(jù)。該研究證實(shí)，癌細(xì)胞與原始細(xì)胞都能遠(yuǎn)距離移動(dòng)，并且移動(dòng)原理也一樣。

此外，香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授于君團(tuán)隊(duì)近期在胃癌組織中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，并且觀測(cè)到了壞細(xì)菌的增多。

“國(guó)外科學(xué)家最近也在癌癥組織中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，但現(xiàn)在說(shuō)不清楚細(xì)菌是怎么來(lái)的，是細(xì)菌引起的癌癥還是免疫系統(tǒng)出現(xiàn)漏洞后，它們乘虛而入的。”朱寶利說(shuō)，也可能是其他的原因。

標(biāo)簽： 迷宮