为什么没有大脑的细菌和癌细胞会走出曲折的迷宫

2020-09-15 11:49 来源:本报记者 张佳星

有这么多微生物,为什么英国癌症研究中心和格拉斯哥大学的科学家认为这种细菌可以走迷宫,并给它机会?

“盘托竹荪可以形成一个‘身体’,也就是说,它自己‘蹲下’,从而成为一个多细胞体。”托叶的这种特性给了科学家一个难题:它是多细胞的还是单细胞的?

由于这一典型特征,2000年左右,美国国立卫生研究院将竹荪列为单细胞和多细胞之间的模式生物。生物学家利用它们进行科学研究,揭示一些普遍的生命现象。所以很多科学家都用它做过研究,朱也研究过。

“它能迁移很久很远的距离,但移动不明显,也没那么有活力。”朱对说,这得靠一个面来动。如果制作一种平板培养基,可以用肉眼观察到它们被“置换”。而普通细菌形成的菌落是固定的。

真正让它成为“明星”的是基因组研究项目。朱介绍说,当时认为植物基因组对于研究生物进化具有重要意义,因为它介于单细胞和多细胞之间。研究生物如何进化成人类是基因组研究的目标,竹荪被列为进化的起点。

与鲜为人知的竹荪相比,癌细胞的“幽灵”是有目共睹的,它会潜伏和转移。《新英格兰》杂志曾报道过一个临床病例:一个肾移植受者的移植肾中生长了一个黑色素瘤。经连续追踪,发现捐献者20年前有黑色素瘤,但后来治愈。这个案子堪比刑侦大戏,充分说明癌细胞是可以潜伏和转移的。

研究人员在论文中还描述了两种生命单位的特殊性:前者可以在很远的地方找到同类,而后者可以使癌症迅速扩散到全身。

他们怎么走出迷宫?营养物质的浓度梯度是最好的“标志”

既然转学是他们每天的例行公事,那他们怎么走出迷宫呢?

就像植物永远追逐阳光,这两个生命单位永远追逐养分。

营养的驱动力如何转化为细菌和细胞的运动力?文中解释了自生梯度形成了细菌和细胞“长距离迁移”的驱动力,并成为路线决策的驱动力。

所谓自生梯度,是指细胞降解局部营养物质,为自己制造一个营养物质浓度差。

以癌细胞为例,被公认为最需要营养的细胞。一旦形成,就会与生物体争夺能量,说明它对培养基中的营养物质有很强的分解能力。当这里的营养物质被“吃掉”后,其他地方的营养物质浓度会比这里高,然后形成一个浓度梯度,推动癌细胞前进。

那么他们如何判断选择哪条路或者哪里是死胡同呢?

研究迷宫可能会有启发。据记载,走迷宫有三条规则:进入迷宫后,可以选择一条路前进;如果遇到无法通行的死胡同,立即返回,在路口做好标记;如果遇到路口,观察是否有通道。如果有任何段落,请继续。如果没有,沿着原路回到前面的路口,做个标记。然后重复第二条和第三条提到的走法,直到找到出口。

很明显,按照这个规律,你不需要思考,只需要马克。营养物浓度梯度是细菌和癌细胞的最佳“标志”。

“死路一条,就是养分耗尽,其他细胞不会再来。如果岔路口最终通向死胡同,也会造成细胞来回穿梭,最终消耗的养分比一条平坦的道路还要多。”朱对解释道。

在创新方面,整个研究发明了一种可以观察和计算整个过程的方法,利用自生梯度的计算和数学模型来预测迷宫中细胞的寻路能力,并利用迷宫中的实际细胞来检验结果。

走出迷宫的意义是什么?它为了解癌细胞转移等问题提供了一个新的窗口

在发育和转移过程中,细胞迁移通常是受趋化性引导的,即细胞会根据某种化学物质的浓度梯度,从低浓度区向高浓度区迁移。然而,人们经常注意环境中的趋化性。其实很多时候,环境梯度并不能引导细胞向远离复杂环境的方向迁移。

本研究证明,自生梯度可以帮助细菌和细胞在漫长而曲折的路径中穿行,在活路径和死胡同之间做出准确的选择,使细胞能够有效地解决复杂的迷宫问题。

研究人员还对其进行了数学描述,发现了寻找活体路径的准确性与引诱剂扩散速率、细胞速度和路径复杂度之间的关系,并预测了其成功率。

这一结果对生物医学具有重要价值,例如,它为了解哺乳动物胚胎发育的早期过程和癌细胞的转移提供了一个新的研究窗口。

也许你仍然对细菌和癌细胞在迷宫中行走的能力感到惊讶。但从进化的角度来看,微生物和癌细胞都在地球上生存了很长时间,年轻的人类可能只在这些古老生物创造的迷宫入口处徘徊。

长期以来,癌细胞一直是人类棘手的对手,也是大多数医学研究的对象。

过去的一些研究已经给出了一些证据,表明癌细胞与原始细胞非常相似。比如病毒、有害细菌、有害化学物质入侵后,“潜入”细胞的生命活动会攻击细胞,而原始细胞会利用休眠来应对危害,然后在这些危害自然衰退后开始生命活动。这种“伺机再战”的特点,在一些癌细胞中也有发现。

值得一提的是,这项研究发现了更多确凿的证据,证明癌细胞与原始细胞非常相似。这个研究证实了癌细胞和原始细胞可以远距离移动,移动的原理是一样的。

此外,香港中文大学医学院教授于君最近在胃癌中发现了细菌,并观察到不良细菌的增加。

“国外科学家最近在癌症组织中发现了细菌,但现在还不清楚细菌是怎么来的,是细菌引起的癌症还是免疫系统的漏洞,他们利用了。”朱说,这可能是其他原因。