斯坦福大学的研究人员发现,超高速的通讯使水生细胞能够同时释放毒素

斯坦福大学生物工程学副教授马努•普拉卡什蜷缩在帕洛阿尔托贝兰兹自然保护区的泥浆中,透过自己发明的折叠式显微镜(售价1.75美元)仔细观察着马沙6037号咸水水域的居民。他的眼睛瞄准了一种叫做Spirostomum的大型单细胞生物,他看着它做了一件事,这立刻使它成为他的下一个研究课题。

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库尔特·西克曼

当地沼泽中的细胞生命使研究人员Manu Prakash和Arnold Mathijssen发现了一种新型的细胞间通讯。

普拉卡什说:“我仍然记得第一次看到这种生物从折叠镜下游过。“这是一个巨大的细胞,但它在不到一眨眼的时间内收缩,比几乎任何其他单个细胞都要快。当你不期待它的时候,它就像消失了一样。我记得当时很兴奋,我不得不把细胞带回实验室仔细观察。”

这个观察是通过一个离普拉卡什实验室只有5英里远的简单工具完成的,现在他和他的同事们发现了一种细胞间通讯的新形式,他们在7月10日发表在《自然》杂志上的一篇论文中对此进行了详细描述。在没有接触、没有电或化学信号的情况下,单个的螺旋口可以如此紧密地协调它们的超快收缩,以至于它们的群体似乎同时收缩——这是一种对捕食者的反应,使它们同步释放麻痹性毒素。

“生物学中有许多不同的交流方式,但这确实是一种我们正在试图理解的细胞间的新信号方式,”普拉卡什实验室的博士后学者、论文的第一作者阿诺德·马蒂耶森(Arnold Mathijssen)说。“这可能比我们迄今所描述的更为普遍,是许多不同种类生物体交流的一种方式。”

从长椅到黑洞

普拉卡什实验室从一个他们称之为佩吉长凳的地方收集了各种微生物的野生样本。佩吉长凳是以附近的一个纪念长凳命名的。混合的盐和淡水,不断变化的潮汐和鸟类迁徙使沼泽成为潜在的生物多样性热点。不过,当普拉卡什第一次来的时候,他并不知道这些。

普拉卡什回忆道:“拉戈安盟湖已经干涸,我正在寻找一个新的地方进行采样。”普拉卡什指的是斯坦福大学校园里一个季节性的小湖。“我查看了手机上的GPS地图,看到了这个蓝点。起初我对它一无所知,但值得一试。”

回到实验室,研究小组研究了野生的Spirostomum样品,同时也培养了自己的二歧性Spirostomum培养基,并开始深入研究这种超快收缩的细节。通过高速成像,他们发现这种现象发生在5毫秒内——人眼眨一次眼睛需要100-400毫秒——而细胞在这一过程中承受的重力大约是重力的14倍。当它收缩时,大量的毒素从细胞边缘脱落,释放到周围的液体中。

在实验室的一个深夜,研究人员还注意到,当细胞成簇时,它们似乎同时收缩。

“我们想知道,‘相距几乎几厘米的细胞如何能够同步,几乎同时做一些事情?’”曾在普拉卡什实验室担任博士后的萨阿德·哈姆拉(Saad Bhamla)说。

研究人员运用了普拉卡什实验室的另一名研究生迪帕克·克里希那穆蒂(Deepak Krishnamurthy)正在进行的另一项研究的洞见,即单个细胞如何感知周围水的运动,从而解开了这个谜团。当他们观察到气孔周围的流场时,很明显他们是通过流体力学流动来交流的。

第一个细胞收缩并生成一个流,这个流触发第二个细胞,那个细胞触发第三个细胞。所以,你就得到了这个传播的触发波,它穿过整个蜂群。”“这些都是大的长距离涡旋流,通讯速度可达每秒几米——尽管每个细胞只有1到4毫米长。”

Mathijssen通过Prakash和Krishnamurthy已经为Krishnamurthy的研究建立的实验,找出了触发第一个细胞收缩的原因。Mathijssen通过小心翼翼地从一对含有二比格姆原虫的载玻片上的小孔中吸取液体,模仿了食肉动物的进食行为。细胞离黑洞越近,它身体的一端相对于另一端拉伸得越厉害——就像物体接近黑洞时所发生的那样。通过这个简单而又相对大规模的实验,研究人员确定,特定的身体张力可能会导致二歧杆菌内的张力门控离子通道打开或关闭,从而使其收缩。

野生动物在哪里

普拉卡什实验室和Bhamla实验室继续研究二歧杆菌,以了解更多关于这些细胞如何、何时以及为何收缩的信息。他们还想知道他们所发现的水动力通讯是否被其他生物利用,因为在自然界中,产生和感知水流对生存都是至关重要的。作为这项研究和其他工作的一部分,普拉卡什实验室一直定期回到佩吉的座位上。

站在沼泽边缘的普拉卡什说:“尽管这个地点对我来说是个意外的发现,但我们正在实验室里进行几个项目,灵感来自于我们在这里收集到的东西。”“这项工作只是我们走出实验室时能发现的许多隐藏的宝石中的一个例子——实际上,任何拥有像Foldscope这样简单而廉价的工具的人都可以发现并开始探索。”

在不久的将来,普拉卡什计划在他们收集螺旋口的沼泽中进行广泛的生物多样性调查,其中包括建立一个基于显微镜的实时视频,记录他们的研究对象的水世界,并带领本科生探索这片沼泽地。

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其他合著者来自乔治亚理工学院。普拉卡什也是斯坦福大学Bio-X和孕产妇&组织的成员儿童健康研究所(MCHRI),斯坦福化学- h研究员,斯坦福伍兹环境研究所的附属机构

这项研究由人类前沿科学项目、国家细胞结构科学基金会中心、美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室、陈·扎克伯格生物中心和霍华德·休斯医学研究所资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/07/10/cells-synchronize-release-toxins-unison/

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