基于细胞的纳米机器力量大得超乎想象

很久一段时间以来，研究人员都已经知道：一段由单细胞原生动物生长构成的长纤维螺管，如果一克对一克地比试，甚至比一个汽车引擎更有力。然而，他们最近发现，这样的螺管远比想象的有力得多。此外，研究人员还对这种显微级的“驮马”背后的过程有了更深的认识。

怀特海研究所的科学家 (波士顿，马萨诸塞州，美国；www.wi.mit.edu)，麻萨诸塞州技术研究所(麻州理工学院；波士顿，马萨诸塞州，美国)，海洋生物学实验室 (伍兹霍尔，马萨诸塞州，美国)和伊利诺伊大学芝加哥分校 (美国) 对一种被称为铃兰属钟形虫的原生动物开展了一项研究。“这些研究成果有双重意义”，与MIT’s生物工程室成员Matsudaira同在一起的怀特海实验室 Paul Matsudaira博士的一个研究生Danielle France说，“首先，他们给我们一个概念：即单个细胞能如何设法产生如此巨大的力量；第二 ，它们为工程师提供了线索，启发他们如何利用这些机制来构造纳米尺度的设备”。

由安东•万•列文虎克通过手工制作的显微镜首先注意到原生动物铃兰属钟形虫至今，科学家知道昆虫——这种纳米弹簧大约有 300 年。在单细胞的钟形虫中弹簧是一个会收缩的纤维团，被称为牵缩丝，它操纵着茎长度。当休息的时候，茎被延长，就像被拉伸的电话绳。当它缩短的时候，牵缩丝一瞬间地向后收缩，形成紧缩的卷。为了探究钟形虫的收缩力量有多大，研究人员利用了一个独特的显微镜给弹簧加上一个额外的负荷。由海洋生物实验室的Shinya Inoue博士和他的同事制作的这种显微镜，使用一个施压平台来增加离心力以对抗这种原生动物产生的力量。

过去，研究员已经测量了钟形虫的力量，钟形虫用40纳牛顿的力量，以每秒8 cm 的速度收缩其弹簧时，衡量的单位相对于生物学过程来说太大。(该测量，如果与汽车引擎的大小依比例来决定时，钟形虫比两部汽车引擎的力量还大) 。然而，当France女士采用离心分离机显微镜时，她发现了弹器收缩时能够对抗的力量高达 300纳牛顿。“这是我们能目前能测试到的最大的力量”，France女士评论道，“我们怀疑它甚至更有力”。

France女士和同事们还给出了引擎的燃料来源，钙，和组成茎一个关键蛋白质之间的重要联系。该蛋白质——中心粒(centrin)——属于一类从绿藻到人类的机体中都可发现的蛋白质。当科学家将一种作用于钟形虫中心粒的抗体注入细胞内后，弹簧便不再能够收缩，这表明该细胞使用了一个有力的以中心粒为基础的机构，这与其它已知的细胞引擎不同。

“当它开始创造超微装置时，那是一个极棒的运动机械”，France小姐说，“它并不需要电，这是一个只需简单的化学环境改变就产生运动的途径。在这里，钙离子的一个简单改变就会使这个弹簧有力量”。研究人员现在正在实验室中为复制这一个过程进行技术开发。

这研究由美国陆军赞助。France女士于2005年12月在旧金山的美国细胞生物学学会第 45届年会上展示了她的研究结果 (加利福尼亚州 ，美国)。

怀特海研究所>>www.wi.mit.edu