细胞与分子力学

我受索志刚博士的邀请写了一篇关于“细胞与分子力学”的短文。我非正式地写这篇文章是为了介绍这个主题，而不是用白话来谈论，比如机械转导、磷酸化等。如果有人对这个主题领域的更详细的讨论感兴趣，我有更正式的论文。这是一个我已经工作了十多年的领域，我发现它每天都更令人兴奋。问题是力学是如何影响生物过程的。这是一个非常跨学科的课题，机械师、工程师、物理学家、化学家和生物学家一直在从不同的角度研究这个过程。我显然不是第一个研究这个过程的人。对我们大多数人来说，从经验的角度来看，力学对生物学很重要，但力学究竟是如何具体改变生物化学的，至今仍存在高度争议。力学当然在许多生理领域都很重要。你的血液在流动，你的心脏在跳动，你的骨骼和肌肉在运动。 Not only does the body experience mechanical stimulation, but it reacts biochemically to it. A wonderful example is when people go into space (NASA) for long periods of time. The bone in one’s body begins to resorb in a similar response mode to what one experiences in aging (osteoporosis). This is primarily due to just the change in the gravity (mechanics). Other diseases are related to these issues including the two biggest killers: heart disease and cancer. While biomechanics on this scale has been studied for awhile (Leonardo Da Vinci, who was interested in mechanics, also wrote one of the first texts on anatomy), the movement to the cellular and molecular scales has brought a tremendous amount of excitement. I consider the cell as one of the ultimate smart materials exhibiting these characteristics. The cell has evolved over millions of years and is designed better than almost any system that we can personally build. Just as the biological eye provides a beautiful template for optics based lenses, much can be learned about building technology (“nanotechnology” and “microtechnology”) through examining the behavior of cells and molecules.

细胞有一个神奇的结构，叫做细胞骨架(“细胞”来自细胞内的细胞质，“骨架”像我们身体的骨架)，它可以被认为是一个桁架结构。至少这是我刚开始研究这门学科时的想象。有趣的是，许多年后，我仍然这样认为，除了它有成千上万的元素，它们可以在任何给定的时间消失和重新出现(这些结构元素实际上是生物聚合物，可以不断地解聚和再聚合)。我是这样描述的:如果我把一栋楼的墙、天花板和地板都移走，这栋楼会倒塌吗?不，因为结构支撑，比如工字梁继续给它提供机械支撑。如果我拿一个细胞，去掉细胞膜，细胞也不会在结构上崩溃(需要注意的是，我们很多人在高中时基本上都被教导细胞有细胞膜和细胞核作为结构元素)。这种结构是迷人的，因为每个元素(肌动蛋白丝、微管和中间丝)都针对它们的反应进行了优化。举个例子，如果我要建造一个送入太空的飞行器，我想要加入一个抗压缩的元素，我该如何设计它?我可能会用空心管。令人惊奇的是，众所周知的压缩元素微管是空心管....直径约为25纳米! And no person said: let’s build it this way! This is only one example of these interesting structural elements.

虽然细胞骨架提供结构支持，但它也提供组织。这应该不会让我们感到惊讶，因为一个细胞，它有数十亿个分子，但直径只有几十微米，必须有一个惊人的组织结构来完成所有复杂的任务。我觉得在这种情况下，细胞骨架类似于运输公路系统，因为它提供了运输货物的机制。例如，细胞内有运动分子，如运动蛋白、动力蛋白和肌凝蛋白，它们沿着这些细胞骨架元素移动，并可以携带分子、囊泡等。这些马达是由生物化学反应驱动的高效机械。据计算，这些电机的效率高达50%，如果你把这些电机的大小缩放到一辆汽车的大小，这些电机分子的速度将达到1000英里/小时(在它们的尺寸上，它们的速度可达60微米/秒)。此外，这种沿着细胞骨架的运动就像细胞内的过山车，细胞骨架是轨道，运动分子是推车。细胞骨架也有能力通过作为细胞内的锚点(或细胞支架)来帮助完成过程的效率。这有点类似于装配线对汽车生产的改进。正如装配线创造了一条生产线，沿着这条生产线，在特定的工位以高效率的方式依次完成过程，许多具有特定功能的分子附着在这个细胞骨架上，从而在一个顺序和高效的过程中修改分子时具有空间组织。 This is contrasted with solely a random distribution of molecules reacting with each other through just diffusion within a cell based on solely aqueous characteristics.

这些只是活细胞中存在的惊人力学和相关结构的几个例子。了解这一点不仅可以帮助解决基于疾病的问题，而且还可以用于潜在地生产极小规模的设备和技术。我相信，从机制角度来看，这仍然是一个领域，个人可以为这个吸引人的不断发展的领域提供深刻的见解，这个领域正在被不同领域的个人所追求。请随时与我联系。