约翰霍普金斯大学的科学家们设计出能打破对称的合成细胞

约翰霍普金斯大学的科学家们设计出能打破对称的合成细胞 艺术家们利用显微镜图像和图形渲染，展示了一个能够感知定向化学线索并自我组织响应的最小合成细胞。图片来源：约翰-霍普金斯大学医学院井上实验室，由 Shiva Razavi 和 Turhan Pathan 创作，经编辑了解对称性破坏细胞运动之前的一个步骤是打破对称，当细胞分子最初对称排列时，通常在受到刺激后重组为不对称的模式或形状。这类似于迁徙的鸟类在对阳光或地标等环境指南针做出反应时转变为新的队形，从而打破对称。在微观层面上，免疫细胞会感知集中在感染部位的化学信号，并打破对称，穿过血管壁到达受感染的组织。当细胞打破对称性时，它们会转变为极化和不对称结构，为向目标移动做好准备。"对称性破缺的概念对生命至关重要，影响着生物学、物理学和宇宙学等多个领域，"在约翰-霍普金斯大学攻读研究生时领导这项研究的希瓦-拉扎维（Shiva Razavi）博士说，他在约翰霍普金斯大学攻读研究生时领导了这项研究，现在是麻省理工学院的博士后研究员。"了解对称性破缺是解开生物学基本原理和发现如何利用这些信息来设计治疗方法的关键。"长期以来，人们一直认为找到在合成细胞中模仿和控制对称性破坏的方法对于了解细胞如何检测其化学环境并重新排列其化学轮廓和形状至关重要。在这项研究中，科学家们创造了一个带有双层膜的巨大囊泡一个由磷脂、纯化蛋白质、盐和提供能量的 ATP 组成的裸体简化合成细胞或原细胞。原细胞呈球形，因此被昵称为"泡泡"。在实验中，科学家们成功地设计出了具有化学感应能力的原细胞，它能促使细胞打破对称性，从一个近乎完美的球体变成一个凹凸不平的形状。研究人员说，该系统专门设计用于模仿免疫反应的第一步，能够根据中性粒细胞感知到的周围蛋白质发出攻击病菌的信号。拉扎维说："我们的研究展示了类细胞实体如何能够感知外部化学线索的方向，模拟生物体内的条件。通过从零开始构建类细胞结构，我们可以更好地识别和理解细胞以最简化的形式打破对称性所需的基本组成部分。"给药领域的未来应用科学家们说，有朝一日，化学传感可用于体内靶向给药。约翰-霍普金斯大学医学院细胞生物学教授、细胞动力学中心主任、资深作者井上隆成（Takanari Inoue）博士说："我们的想法是，可以把任何你想要的东西蛋白质、RNA、DNA、染料或小分子打包到这些气泡中，利用化学传感告诉细胞该去哪里，然后让细胞在预定目标附近破裂，这样药物就能被释放出来。"为了激活囊泡的化学感应能力，研究人员在合成细胞中植入了两种作为分子开关的蛋白质FKBP和FRB。蛋白质 FKBP 被置于细胞中心，而 FRB 则被置于细胞膜上。当科学家们在气泡细胞外引入一种化学物质雷帕霉素时，FKBP就会移动到细胞膜上与FRB结合，从而引发一种叫做肌动蛋白聚合的过程，也就是合成细胞骨架的重组。在原细胞内部，化学反应产生了由肌动蛋白组成的杆状结构，对细胞膜施加压力，使其弯曲。研究人员使用了一种名为共聚焦显微镜的专门快速三维成像技术来记录原细胞的化学感应能力；他们必须以每15到30秒一帧的速度快速记录图像，因为原细胞会对化学信号做出快速反应。下一步，研究人员的目标是让这些合成细胞具备向所需目标移动的能力。最终，研究人员希望设计出的合成细胞能在靶向药物输送、环境传感以及其他需要精确移动和对刺激做出反应的领域中发挥重要的潜在应用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

考古学家发现16.4亿年前多种形态的真核生物 打破此前的科学假设

考古学家发现16.4亿年前多种形态的真核生物 打破此前的科学假设 加州大学圣塔芭芭拉分校和麦吉尔大学的研究人员在对保存完好的微化石进行的一项新研究中发现，真核生物甚至在 16.4 亿年前就已经进化成了多种多样的形态。这篇发表在《古生物学论文》（Papers in Paleontology）杂志上的论文讲述了真核生物进化历史早期的一系列化石。作者描述了四个新的类群，以及在这些早期真核生物中已经存在的若干高级特征的证据。第一作者、加州大学伯克利分校地球科学系助理研究员莉-安妮-里德曼（Leigh Anne Riedman）解释说："这些是迄今发现的最古老的真核生物。然而，即使在这些最早的记录中，我们也看到了很多多样性。"真核生物是生命的主要领域之一，包括植物、动物和真菌支系，以及所有其他细胞具有膜核的类群，如原生动物和海藻。许多科学家曾认为，在古近纪晚期，早期真核生物都相当相似，大约在 8 亿年前出现了分化。但是，里德曼和她的合著者却在近两倍于这一时期的岩石中发现了种类繁多、结构复杂的化石。科学家们从以往的研究中得知，真核生物在这一时期已经进化，但对这一时期的多样性却知之甚少。于是，Riedman 在 2019 年年底前往内陆地区。一周之内，她就从一家勘探公司钻探出的八个岩心中收集到了约 430 个样本；这些样本现在存放在北领地地质调查局的图书馆中。这项研究使用的两个岩芯跨越了大约 500 米的地层，即 1.33 亿年，其中有大约 1500 万年的重要沉积。里德曼带着页岩和泥岩回到了美国，这些页岩和泥岩是古代海岸生态系统的残留物，在浅海潮下泥滩和海岸泻湖之间交替出现。她在氢氟酸中浸泡，溶解了基质岩石，浓缩了珍贵的微化石，然后在显微镜下进行分析。"我们希望找到细胞壁具有有趣和不同特征的物种，"里德曼说。她希望这些特征能够揭示这一时期细胞内部发生了什么。不过，由于化石只保留了细胞的外部，要对细胞内部得出任何结论都需要大量的调查。研究人员对这些化石所保存的多样性和复杂性感到惊讶。他们记录了 26 个类群，其中包括 10 个以前未曾描述过的物种。研究小组发现了细胞骨架的间接证据，还发现了板状结构，这表明存在形成板的内部囊泡也许是现代真核细胞中高尔基体的祖先。其他微生物的细胞壁是由束缚纤维构成的，这同样表明存在复杂的细胞骨架。作者还发现了带有微小活门的细胞，这证明了细胞的复杂程度。有些微生物会形成一个囊肿，以等待不利的环境条件。为了钻出来，它们需要在自己的保护壳上蚀出一个开口。制造这扇门是一个专门的过程。"如果要产生一种能溶解细胞壁的酶，就需要非常小心地使用这种酶，"里德曼说。"因此，在真核生物最早的记录之一中，我们看到了一些令人印象深刻的复杂程度。"该领域的许多人都认为这种能力是后来才出现的，而这一组合中的证据进一步强调了即使在这一早期阶段，真核生物的多样性和先进性。"人们一直认为这大约是真核生物出现的时间。现在我们认为，人们只是没有探索更古老的岩石，"合著者、加州大学圣巴巴拉分校地球科学教授苏珊娜-波特（Susannah Porter）说。研究意义这篇论文是研究早期真核生物进化的大型项目的一部分。里德曼和波特想知道早期真核生物是在什么样的环境中进行多样化的，它们为什么会在那里，它们是什么时候迁移到其他地方的，以及它们需要什么样的适应性才能填补这些新的壁龛。这项工作的很大一部分涉及了解真核生物的不同特征是何时首次出现的。例如，作者很想知道这些生物是适应含氧环境还是缺氧环境。前者表明它们有有氧代谢，可能还有线粒体。已发现的每一种现代真核生物都是拥有线粒体的祖先的后代。这表明真核生物很早就获得了线粒体，而且线粒体提供了显著的优势。里德曼和波特目前正在对真核生物的多样性进行新的研究。他们还从西澳大利亚州和明尼苏达州收集了更古老的样本。与此同时，他们在麦吉尔大学的地球化学合作者正在带头研究氧气水平和真核生物的喜好栖息地，这些方面都可以揭示真核生物的进化过程。雷德曼说："这些结果指示我们去寻找更古老的材料，更古老的真核生物，因为这显然不是地球上真核生物的开端。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

钙过量 - 科学家开发出杀死癌细胞的新方法

钙过量 - 科学家开发出杀死癌细胞的新方法 钙离子在细胞功能中起着至关重要的作用，但如果钙离子含量过高，就会对细胞造成危害。研究人员最近开发出一种化合物，可通过调节细胞内的钙离子流入来靶向摧毁肿瘤细胞。这种创新方法利用了肿瘤组织内已有的钙离子，无需外部钙源。《Angewandte Chemie》杂志上发表的一篇论文详细介绍了这一研究成果。生物细胞需要钙离子来维持线粒体（细胞的动力室）的正常运转。然而，如果钙离子过多，线粒体过程就会失衡，细胞就会窒息。由韩国首尔梨花女子大学的尹珠英（Juyoung Yoon）领导的研究小组与来自中国的研究小组一起，利用这一过程开发出了一种协同抗肿瘤药物，它可以打开钙离子通道，从而在肿瘤细胞内引发致命的钙离子风暴。研究人员瞄准了两个通道，第一个是外膜上的通道，另一个是内质网中的钙通道，内质网也是一个储存钙离子的细胞器。位于外膜的通道在暴露于大量活性氧（ROS）时打开，而内质网中的通道则被一氧化氮分子激活。为了产生能打开外膜钙通道的 ROS，研究人员使用了染料吲哚菁绿。这种生物活性剂可通过近红外线照射激活，不仅能引发导致 ROS 的反应，还能使环境升温。研究小组解释说，局部高温会激活另一种活性剂 BNN-6 释放一氧化氮分子，从而打开内质网中的通道。在肿瘤细胞系试验成功后，研究小组又在植入肿瘤的小鼠体内测试了一种注射制剂。为了创造出一种生物兼容的复合药物，研究人员将活性成分装入了微小的改性多孔硅珠中，这种硅珠对人体无害，但能被肿瘤细胞识别并转运到细胞内。将这些微珠注入小鼠血液后，研究人员观察到药物在肿瘤内积聚。照射近红外线成功地触发了作用机制，接受这种制剂的小鼠几天后肿瘤就消失了。作者强调，这种离子流入方法可能也适用于相关的生物医学研究领域，因为类似的机制可以激活不同于钙离子通道的离子通道，从而找到新的治疗方法。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识

生物学家研制出光动力酵母菌 带来对进化、生物燃料和细胞衰老的新认识 Anthony Burnett说:“坦率地说，我们对将酵母转化为光养生物(能够利用光能的生物)是多么简单感到震惊。我们所需要做的就是移动一个基因，它们在光照下的生长速度比在黑暗中快2%。没有任何微调或精心的哄骗，它就是有效的。”很容易地为酵母配备这样一个进化上重要的特征，可能对我们理解这种特征是如何起源的意义重大，以及如何将其用于研究生物燃料生产、进化和细胞老化等问题。寻找能量提升这项研究的灵感来自于该小组过去研究多细胞生命进化的工作。该小组去年在《自然》杂志上发表了他们的第一份关于多细胞长期进化实验(MuLTEE)的报告，揭示了他们的单细胞模式生物“雪花酵母”是如何在3000代的时间里进化出多细胞的。在这些进化实验中，出现了多细胞进化的一个主要限制:能量。“氧气很难扩散到组织深处，因此你得到的组织没有能力获得能量。”“我一直在寻找绕过这种基于氧的能量限制的方法。”在不使用氧气的情况下给生物体提供能量的一种方法是通过光。但是从进化的角度来看，将光转化为可用能量的能力是复杂的。例如，允许植物利用光作为能量的分子机制涉及许多基因和蛋白质，这些基因和蛋白质在实验室和自然进化中都很难合成和转移到其他生物体中。幸运的是，植物并不是唯一能将光转化为能量的生物。保持简单生物体利用光的一种更简单的方法是利用视紫红质:一种无需额外的细胞机制就能将光转化为能量的蛋白质。该研究的主要作者Autumn Peterson说:“视紫红质在生命之树上随处可见，显然是生物体在进化过程中相互获取基因而获得的。”这种类型的基因交换被称为水平基因转移，涉及在不密切相关的生物体之间共享遗传信息。水平基因转移可以在短时间内引起看似巨大的进化跳跃，比如细菌如何迅速对某些抗生素产生耐药性。这可能发生在所有的遗传信息中，特别是在视紫红质蛋白中。“在寻找将视紫红质转移到多细胞酵母中的方法的过程中，我们发现我们可以通过将其转移到常规的单细胞酵母中来了解过去在进化过程中发生的视紫红质水平转移。”为了观察他们是否能给单细胞生物配备太阳能视紫红质，研究人员将一种由寄生真菌合成的视紫红质基因添加到普通的面包酵母中。这种特殊的基因被编码为一种视紫红质，这种视紫红质会被插入细胞的液泡中，液泡是细胞的一部分，像线粒体一样，可以将视紫红质等蛋白质产生的化学梯度转化为能量。配备了空泡紫红质，酵母在光照下的生长速度大约快了2%这对进化来说是一个巨大的好处。“在这里，我们有一个单一的基因，我们只是把它跨环境拉到一个以前从未有过光养性的谱系中，它就这样工作了。”“这表明，这种系统真的很容易，至少有时，在一个新的有机体中发挥作用。”这种简单性提供了关键的进化见解，研究人员说明了“视紫红质能够轻易地在如此多的谱系中传播，以及为什么会这样”。由于空泡功能可能有助于细胞衰老，该小组也开始合作研究视紫红质如何能够减少酵母的衰老效应。其他研究人员已经开始使用类似的新型太阳能酵母来研究推进生物生产，这可能标志着生物燃料合成等方面的重大进步。然而，这一团队更热衷于探索这种额外的好处如何影响单细胞酵母向多细胞生物的转变。“我们有这个美丽的简单多细胞模型系统，”Burnett说，他指的是长期运行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)。“我们想给它光营养，看看它是如何改变它的进化的。” ... PC版： 手机版：

科学家发现自然界最大细胞中神秘漩涡运动的起源

科学家发现自然界最大细胞中神秘漩涡运动的起源 最新研究揭示了卵细胞中"漩涡状"流动背后的自然机制，这种流动对营养物质的高效分配至关重要。这些发现是通过先进的建模和实验方法实现的，为细胞运输提供了新的见解，并可能影响更广泛的生物学研究。模拟微管如何弯曲并引导成熟卵细胞中的物质形成旋涡状流动的快照。图片来源：S. Dutta 等人科学家们早就知道，成熟的卵细胞（称为卵母细胞）会在内部产生类似旋涡的液流来运输营养物质，但这些液流是如何产生的一直是个谜。现在，Flatiron 研究所的计算科学家与普林斯顿大学和西北大学的合作者共同领导的研究揭示了这些流动看起来就像微型龙卷风是由一些细胞成分的相互作用有机产生的。他们的研究成果发表在四月号的《自然-物理》（Nature Physics）杂志上，他们利用理论、先进的计算机建模和果蝇卵细胞实验揭示了龙卷风的力学原理。这些成果有助于科学家们更好地理解有关卵细胞发育和细胞运输的基础问题。"我们的发现代表了这一领域的一大飞跃，"共同作者、Flatiron 研究所计算生物学中心（CCB）主任迈克尔-谢利（Michael Shelley）说。"我们能够应用多年来从其他研究中获得的先进数值技术，这让我们能够比以往更好地看待这个问题。"在一个典型的人体细胞中，一个典型的蛋白质分子通过扩散从细胞的一侧蜿蜒到另一侧只需要 10 到 15 秒；而在一个小型细菌细胞中，这一过程只需要一秒钟。但在本文研究的果蝇卵细胞中，单是扩散就需要一整天的时间这对细胞的正常功能来说时间太长了。相反，这些卵细胞发展出了"旋风流"，它在卵细胞内部盘旋，迅速分配蛋白质和营养物质，就像龙卷风能把物质卷起并移动到比风更远更快的地方一样。在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S. Dutta 等人"受精后，卵母细胞将成为未来的动物，"该研究的合著者、普林斯顿大学和中央研究院的研究员萨扬坦-杜塔（Sayantan Dutta）说。"如果破坏了卵母细胞中的流动，所产生的胚胎就不会发育"。研究人员使用了 Flatiron 研究所研究人员开发的一款名为SkellySim 的先进开源生物物理学软件包。通过SkellySim，他们模拟了参与制造细胞的成分。其中包括微管细胞内部的柔性细丝和分子马达，分子马达是作为细胞工作母机的特化蛋白质，携带着被称为有效载荷的特殊分子组。科学家还不太清楚这些有效载荷是由什么组成的，但它们在产生气流中起着关键作用。研究人员模拟了数以千计的微管在载荷分子马达的作用力下的运动。通过在实验和模拟之间来回切换，研究人员得以了解旋流的结构，以及它们是如何从细胞液和微管之间的相互作用中产生的。"我们的理论工作使我们能够放大并以三维方式实际测量和可视化这些旋涡，"该研究的合著者、CCB 研究科学家 Reza Farhadifar 说。"我们看到了这些微管如何在没有任何外部线索的情况下，通过自组织产生大规模流动。"在这段循环播放的卵母细胞视频中，可以看到物质在整个生长细胞中循环并帮助分配养分。图片来源：S. Dutta 等人模型显示，在卵母细胞内部，微管在分子马达的作用下发生弯曲。当微管在这种负荷下屈曲或弯曲时，会导致周围液体移动，从而使其他微管重新定向。在一个足够大的弯曲微管群中，所有微管都朝同一方向弯曲，流体流动就会变得"合作"。随着微管的集体弯曲，移动的有效载荷在整个卵子中形成漩涡或漩涡状流动，帮助分子分散到细胞周围。有了漩涡，分子可以在 20 分钟而不是 20 小时内穿过细胞。谢利说："该模型显示，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，能够创造出这种功能性流动。而只需要一些成分只有微管、细胞的几何形状和携带有效载荷的分子马达。"这些新发现为更好地了解卵细胞的发育奠定了基础。这些结果还有助于揭开其他细胞类型中物质运输的神秘面纱。"既然我们知道了这些漩涡是如何形成的，我们就可以提出更深层次的问题，比如它们是如何混合细胞内的分子的？这开启了理论与实验之间的新对话。"法哈迪法尔说。"这项新研究让人们对微管有了全新的认识。微管在植物和动物等几乎所有真核生物的各种细胞类型和细胞功能（如细胞分裂）中发挥着核心作用。这使它们成为"细胞工具箱中非常重要的一部分"，Dutta 说。"通过更好地理解它们的机制，我认为我们的模型将有助于推动细胞生物物理学中许多其他非常有趣的问题的发展"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科学家发现迄今最早多细胞真核生物化石

中国科学家发现迄今最早多细胞真核生物化石 相关研究成果发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)上。2016年，该所科研团队在燕山地区发现15.6亿年前的宏体多细胞真核生物化石。中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎说：“这一发现将地球上大型多细胞真核生物的出现时间从以前认为的6亿年前提前了将近10亿年，由此我们推断真核生物发生多细胞化的时间应该更早。”为了论证这一推断，该团队成员苗兰云在近8年的时间内，采集了16亿年前地层中的数百件样品，最终发现了微体多细胞真核生物化石。苗兰云介绍，这批发现的化石标本一共278枚，它们是由单列细胞组成的无分枝的丝状体。丝状体最长达860微米，整体结构相对简单，但表现出一定的复杂性，有些丝状体整体向一端均匀收缩，细胞呈柱状、桶状或杯状。特别是在一些标本中，发现了生殖孢子结构。综合化石多种特征和成分的分析比较，表明这些化石属于多细胞真核生物。“通过测量可以表征丝状体形态变化的2个比值和丝状体直径大小分布频率，我们发现这些丝状体在形态上呈现连续过渡、变化的特征，这表明它们属于同一个物种。同时，这些丝状体和前人在燕山地区发现的‘壮丽青山藻’化石形态和大小相似，所以本次研究将其归入同一个属种。”苗兰云说。据介绍，目前学界普遍接受的真核生物最早化石记录发现于中国华北和澳大利亚北部距今约16.5亿年之前的古元古代晚期地层中。“壮丽青山藻”的出现时间仅仅稍晚于这些最古老的单细胞真核化石，表明真核生物出现之后便迅速发生了复杂得多的细胞化演化。“如果‘壮丽青山藻’可以确认为是营光合作用的真核藻类，那么真核生物最后的共同祖先应不晚于16.3亿年之前的古元古代晚期，比当前学界普遍接受的时间提前了近6亿年之久。”朱茂炎称，这为进一步揭示复杂生命的起源和早期演化过程的奥秘以及元古宙地球环境演变提供了新的思考。 ... PC版： 手机版：