新模型显示纤毛如何引起轰动

大约 350 年前，荷兰科学家安东尼·范·列文虎克通过自制放大镜凝视着一小瓶湖水。通过这台简陋的显微镜，他看到了他所说的“小脚细得令人难以置信的动物，而且移动非常灵活。”小动物是单细胞生物； “脚”就是我们现在所说的纤毛：成千上万个微小的毛发状突起，在许多细胞的表面上振荡，产生的波既可以推动细胞前进，又可以使液体流过静止的细胞。这种能动的纤毛在生物体的发育和健康中发挥着重要作用：例如，它们产生的波可以泵送大脑中的液体，并帮助清除困在气道中的颗粒。尽管它们很重要，但关于它们如何运作的物理学仍然未知，尤其是集体。最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究通过开发一个模型，将工作中的复杂生物学结合起来，从为纤毛提供动力的纳米级电机到毫米级，提供了一个关于纤毛波如何形成的新视角挥动纤毛创造。

“这里令人兴奋的部分是在更大范围内弥合微观细节和行为之间的差距，”Flatiron 研究所计算生物学中心(CCB) 的研究员、该研究的第一作者Brato Chakrabarti说。

“这是第一个研究电机的微观运动如何为纤毛提供动力以产生更大数量级的波的模型，”共同作者、CCB 主任兼生物物理建模小组负责人Michael Shelley补充道。

纤毛的内部类似于微型发动机。称为动力蛋白的特殊纳米级蛋白质将纤毛的内部片段相互滑动，产生周期性节拍的弯曲和运动。这种跳动运动同步分布在表面上的数百到数千根纤毛，以产生穿过纤毛的波——就像一根看不见的手指沿着草叶运行。这些波浪可以传播长达几毫米的距离，与纤毛的微观尺寸相比，这是一个巨大的距离——相当于标准的 10 英尺桨产生的波浪可以传播 12 个奥林匹克规模的游泳池长度。

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通过生物物理建模捕获截然不同的尺度：格子上的产生波纤毛由动力蛋白马达的分布、单个纤毛内的动力蛋白活动以及滑动位移和运动活动之间的时间延迟进行颜色编码信用：Chakrabati B，Fürthauer S，雪莱 MJ。 Proc Natl Acad Sci。

这些微小纤毛背后的强大力量早已被观察到。研究人员面临的问题是：纤毛群究竟如何协调它们的运动以共同产生在生物过程中如此重要的波？哪些因素会影响这种波的形成和传播？在这项新研究中，科学家们创建了一个生物物理模型，该模型确定了对睫状波的出现及其强大的泵流至关重要的四个因素。在最小的尺度上，该模型首先考虑了由动力蛋白电机驱动的单个纤毛的自发振荡。接下来，它考虑了纤毛与周围液体之间的相互作用，然后是相邻纤毛之间的相互作用，它们往往相互排斥。最后，该模型检查了表面上纤毛的排列如何影响波浪的形成。 “物理学家喜欢简单的概念模型，但生物学很复杂，这个模型结合了这种复杂性，”该研究的共同作者Sebastian Fürthauer说，直到最近他还是 CCB 雪莱小组的研究科学家，现在在 TU 应用物理研究所工作维也纳，维也纳科技大学。

由此产生的生物物理模型不仅显示了这四个因素对睫状波形成和传播的贡献，而且还显示了——令研究人员惊讶的是——不会出现波浪的情况。事实上，一个出人意料的发现是，有时完美的、均匀的一维纤毛行（称为理想晶格）会产生波，而有时则不会。 “在许多情况下，这些理想化晶格中的纤毛同相跳动，我们没有看到波浪，”Chakrabarti 说。

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一组纤毛完全同相跳动，不产生波浪。学分：布拉托·查克拉巴蒂

然而，与科学家的模型不同，自然界中不存在理想化的晶格。纤毛群总是不完美的。例如，纤毛经常出现在细胞表面的斑块中，而不是均匀的地毯中。正如研究表明的那样，有时这种斑块状会带来优势，例如更有效地清除小鼠气道中的颗粒物。为了进一步探索这个想法，研究人员将斑片状纤毛床纳入模型，并在每个斑片中强劲地出现波浪，并随着时间的推移在纤毛斑片上协调。 “生物学说，’给我一团糟，我会给你波浪，’”雪莱说。

“补丁可以防止系统陷入一种波浪，并提供灵活性。我们看到斑块边界处发生的情况塑造了波浪的外观，”Fürthauer 说。

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纤毛床形态影响出现的波浪模式。图片来源：Chakrabati B、Fürthauer S、Shelley MJ。 Proc Natl Acad Sci。

这里的建模主要是在一维系统上完成的，但早期的结果也显示了模型在二维上的一致性。未来的工作将侧重于开发二维建模，同时考虑到纤毛间距不均匀和拍频偏差等现实世界的特征。 Fürthauer 说，最终，模拟整个器官，如大脑或肺，对于理解睫状波动力学对生物系统的影响非常重要。

正如列文虎克通过镜头凝视复杂的海洋时欣赏纤毛的顺序一样，今天的生物物理建模者试图在不削弱其复杂性的情况下在生物系统中找到顺序。这就是生物物理建模的艺术——揭示复杂性中的秩序，而不会陷入雪莱所谓的“数学模型思维模式”中。 “在模型中，我们了解到我们不能使纤毛如此均匀，但 [可以] 使它们更像我们在自然界中看到的那样，然后我们就可以了解大自然用什么来产生波浪，”他说。

“这项工作展示了您可以使用复杂的生物物理模型做什么，”Fürthauer 说。