来自自然界的”高科技”材料 – 研究人员发现细胞骨架的惊人特性

哥廷根大学的研究人员发现了细胞骨架的惊人特性。大多数生物细胞在生物体内都有一个固定的位置。然而,在某些情况下,这些细胞会获得流动性,使它们能够在体内游走。这种情况出现在伤口恢复或癌细胞肆意分裂并扩散至全身等过程中。流动细胞和静止细胞的特征表现出若干差异,其中一个显著差异是它们的细胞骨架结构。

来自自然界的"高科技"材料 - 研究人员发现细胞骨架的惊人特性

生物细胞的显微图像:右上(绿色)-成纤维细胞中的波形蛋白中间丝;左下(红色)-上皮细胞中的角蛋白中间丝。比例尺: 10 µm。图片来源:右上角(绿色): 左下(红色): Ruth Meyer

这种蛋白丝结构使细胞稳定、可伸展并能抵抗外力。在这方面,”中间丝”发挥着重要作用。有趣的是,在移动和静止细胞中发现了两种不同类型的中间丝。哥廷根大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员成功地精确测量并描述了这两种丝的机械特性。在此过程中,他们发现了与非生物材料的相似之处。研究结果发表在《物质》(Matter)杂志上。

科学家们使用光学镊子研究细丝在拉力作用下的行为。他们将细丝的末端连接到微小的塑料珠上,然后在激光束的帮助下以可控的方式移动这些塑料珠。这拉伸了两种不同类型的细丝,即波形蛋白和角蛋白。研究人员找出了拉伸所需的力,以及不同细丝在多次拉伸后的表现。

令人惊讶的是,这两种不同的细丝在反复拉伸时的表现截然不同:波形蛋白细丝变软并保持其长度,角蛋白细丝变长并保持其硬度。

实验结果与分子相互作用的计算机模拟相吻合:在波形蛋白丝中,研究人员假定结构打开,类似于由多种成分组成的凝胶;在角蛋白丝中,他们假定结构相互移动,类似于金属。这两种机制都解释了细胞骨架中的中间丝网络可以发生强烈变形而不受损害。然而,这种保护因素是由根本不同的物理原理解释的。

这项研究的第一作者Charlotta Lorenz博士解释说:”这些结果拓展了我们对不同细胞类型为何具有如此不同机械特性的理解。”该研究的负责人、哥廷根大学X射线物理研究所的Sarah Köster教授补充说:”我们可以从大自然中汲取营养,考虑设计新型、可持续和可转化的材料,这些材料的特性可以根据要求进行选择或设计。”

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