白蚁和细胞有什么共同点

数以千计的白蚁看似无头，在地上爬行，携带和掉落沙粒。虽然白蚁没有建造计划，但有规律的沙柱图案却是凭空冒出来的。在这个白蚁-沙土系统中，白蚁提供能量，将沙子改造成一座活生生的动态建筑，与不断变化的环境持续耦合。 Bastiaens 的跨学科生物化学家和应用以及理论物理学家小组现在表明，在我们的细胞中发生了非常相似的情况，这些细胞使用化学势作为能源来产生由分子而不是沙粒组成的动态维持结构。使这种集体行为成为可能的失衡、充满活力的状态是生命物质的一种属性，可以在不断变化的世界中产生和稳定动态保持的身份。自组织过程的一个特征是随机波动，可以通过代理之间的局部交互放大。例如，当白蚁随机行走时，它们会捡起和掉落沙粒，这会导致沙子的密度发生波动。然而，在重新洗沙的过程中，白蚁会在它们携带的沙粒上留下信息素气味，这增加了另一只装载的白蚁随机经过的机会。这会导致沙堆的自我放大，从而耗尽自由沙粒。放大和耗尽的过程导致形成规则的沙柱图案，形成它们的巢穴的基础。这种现象被称为 stigmergy，意思是“在进行中的工作上留下标志”最早由法国动物学家 Pierre-Paul Grassé 在 1959 年描述，并解释了社会昆虫通过沙子的间接交流如何导致产生动态结构的集体行为例如沙柱，它们有规律地组织起来。白蚁蚁后通过释放信息素梯度与这种自组织的白蚁沙系统进行交流。这可以作为一个模板，在她周围建造一座动态建筑，以适应她不断增长的体型。为了研究白蚁-沙土系统的 stigmergic 集体行为的原理是否也适用于细胞形态发生中生物分子的自组织，Bastiaens 的小组通过将无生命的生物构建块封装在一个具有生命特性的合成细胞中可变形的脂质膜，并通过用 ATP/GTP 化学势为系统提供能量来赋予它们生命。这种现在失去平衡的封装系统由动态微管细胞骨架和光响应分子信号模块组成，其操作类似于自然形态发生素信号。在细胞形态发生中，新结构的出现是由于细胞骨架的动态重排使质膜变形。细胞外形态发生素通过与细胞膜上的受体结合来指导这一过程。通过重新平衡细胞内磷酸化反应循环，信息在细胞内被转导。这会产生局部促进细胞骨架生长的细胞内化学信号梯度。这位科学家通过设计一种光响应信号系统，将生物工程激酶转移到膜上，重新平衡了微管蛋白螯合分子 Stathmin 的磷酸化反应循环，从而重新创建了这一过程。因此，他们可以证明，真正促进细​​胞骨架生长的是这些磷酸化循环就像一个分子机器，不断地将微管构建块泵送到膜上。科学家们的想法被证明是正确的，因为他们栩栩如生的原始细胞表明，根据与白蚁相同的 stigmergic 原理，细胞骨架和信号系统通过与膜相互作用而自组织成不同的模式。砂系统。在细胞骨架的情况下，由微管局部生长形成的膜的小突起捕获了更多的微管，从而放大了耗尽游离微管的突起的生长。在信号系统的情况下，激酶向膜的募集导致耗尽游离激酶的自扩增簇。

更重要的是，研究人员可以证明信号和细胞骨架系统之间的间接通信是由可变形膜介导的，导致自组织形状，如星状或极性结构。他们还可以证明，局部细胞外信号线索的运作类似于释放信息素的白蚁女王，提供了一个化学模板，指导自组织白蚁沙系统在她周围构建一个动态建筑。在原始细胞的情况下，信号梯度限制了双向通信信号和细胞骨架系统的自组织解决方案，以在细胞外线索的方向上重组生命样细胞。然而，这种对细胞外线索的反应在很大程度上取决于原始细胞的初始、自组织形状，这使得它们的反应对塑造它们的先前经验具有主观性。结果证明，两个递归相互作用的柱头系统的平衡决定了原始细胞的基础形态，例如它是否具有极地或星状形状。当基础信号主导微管诱导的膜变形时，原始细胞表现出星状形态，而当微管诱导的变形主导信号时，原始细胞变为极性。通过细胞外信号改变 stigmergic 系统之间的平衡可以将恒星重塑为极地形状，但反之则不然。这表明细胞的变形不仅仅由来自细胞外线索的单向信息流引导，而且还取决于由先前事件形成的细胞本身的形态。 “发育中的健康或患病组织中的细胞是否根据先前的经验对其环境做出反应，这是细胞和发育生物学领域的一个大问题。我们的工作表明，细胞的行为不像简单的输入输出机器，而是在对不断变化的环境的响应中整合了以前的经验。在发育中的组织中，细胞环境由其他细胞组成，我们的自组织原始细胞有可能通过机械传感的特性在它们之间建立递归通信，机械传感的特性来自信号传导和细胞骨架系统之间的递归耦合。因此，这使我们能够研究细胞内自组织分子系统之间的递归通信如何导致更高尺度的自组织组织形成”，Philippe Bastiaens 总结道。