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2013sbf888com:细胞群如何合作构建器官和有机体?

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   11月12日消息,理解细胞群形成功能结构并具有极大可塑性的生物学规则,将是推动组织工程学和再生医学发展的关键。

  再生医学试图解决各种各样的疾病,如出生缺陷、创伤、衰老、退行性疾病和肿瘤的无序生长等。多年来,科学家一直试图解决一个基本难题:细胞群如何协调地构建复杂的三维结构?如果能在这个问题上取得突破,将极大地促进再生医学的发展。

  尽管基因组可以预见性地编码细胞中存在的蛋白质,但简单的分子组成列表并不能充分说明细胞如何构建出身体结构,或者具有怎样的再生潜力。基因组并不是解剖学蓝图,而基因组编辑从根本上就受到了限制,因为我们很难推断如果想要获得某种复杂的解剖结构,需要调整哪些基因,以及如何调整。类似地,干细胞可以生成器官的组成部分,但很长一段时间以来,将特定的细胞类型组织成具有功能的手或眼睛的能力,已经超出了我们可以直接操作的范畴。

  然而,在合成形态学和再生生物物理学领域,研究人员已经开始了解器官生长,以及修复可塑性的规则。与其在细胞或分子水平上直接执行过于复杂的微管理任务,倒不如搞清楚胚胎发生和再生过程中,细胞群如何合作并构建特定的多细胞体。也许到那时,我们就能知道如何激发细胞群去构建想要的任何解剖学特征。

  有机体的构建。在形态构建过程中,细胞合作能有效地建立解剖结构。许多生命系统在经历相当大的损伤之后,仍能重塑并再生组织或器官。换言之,它们逐步减少偏离特定目标形态的偏差,并在实现这些形态时停止生长和重塑。演化利用三种模式来实现这种解剖学内稳态:(1)生物化学梯度;(2)生物电路;(3)生物力学因素。这些相互作用使生命系统在重大干扰下,仍然能形成大尺度的形态。

  现在,新的方法使研究人员能够在不使用基因工程的情况下,确定解剖学决策的实现过程。2020年1月,美国塔夫茨大学艾伦探索中心生物学主管迈克尔·莱文(Michael Levin)的团队就使用这样的工具,并与佛蒙特大学的计算机科学家乔什·博纳加德(Josh Bongard)合作,创造出了全新的“活体机器”。他们使用非洲爪蟾(Xenopus laevis)的细胞,培育出在形态学和行为上与非洲爪蟾完全不同的人工生命体。这些细胞重新启动了它们的多细胞性,在不改变基因组的情况下组成了新的多细胞形态。这就如同一个极其令人兴奋的沙箱,生物工程师可以在其中自由地发挥,目的是解码解剖和行为控制的逻辑,并理解细胞的可塑性以及基因组与解剖结构的关系。

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