科学家们利用光来控制海星卵细胞在其最早发育阶段的晃动和移动。他们的光学系统可能指导合成光激活细胞的设计，用于伤口愈合或药物输送。
生命从单个细胞的运动中形成。响应来自某些蛋白质和酶的信号，细胞可以开始移动和摇晃，从而导致收缩，使其挤压、捏合，最终分裂。随着子细胞在世代传递中模仿，细胞生长、分化，最终排列成一个完全形成的有机体。
现在麻省理工学院的科学家们利用光来控制单个细胞在其最早发育阶段的晃动和移动。研究团队研究了由海星产生的卵细胞的运动——科学家们长期以来一直将其用作理解细胞生长和发育的经典模型。
研究人员集中研究一种关键酶，该酶触发海星卵细胞内部的运动级联反应。他们基因设计了一种对光敏感的酶版本，将其注入卵细胞中，然后用不同模式的光刺激细胞。
他们发现光成功地激活了酶，从而促使细胞以可预测的模式晃动和移动。例如，科学家们可以刺激细胞表现出小的捏合或大幅收缩，具体取决于他们诱导的光模式。他们甚至可以在细胞的特定点照射光，将细胞的形状从圆形拉伸成方形。
他们的结果将在《自然物理学》杂志上发表，为科学家们提供了一种新光学工具，以控制细胞在其最早发育阶段的形状。他们设想，这样的工具可以指导合成细胞的设计，例如对光信号作出收缩反应以帮助闭合伤口的治疗“贴片”细胞，或者仅在体内特定位置照射时释放其内容物的药物输送“载体”细胞。总体而言，研究人员将他们的发现视为探索生命如何从单个细胞形成的新方法。
“通过揭示光激活开关如何实时重塑细胞，我们正在揭示生活系统自我组织和演变形状的基本设计原则。”研究的资深作者、麻省理工学院物理系副教授尼克塔·法赫里说。“这些工具的力量在于，它们指导我们解码所有这些生长和发展过程，帮助我们理解自然是如何做到的。”
该研究的麻省理工学院作者包括第一作者刘静辉、赵裕琛和谭泽寒；以及慕尼黑大学的汤姆·布尔卡特、亚历山大·齐普克和厄尔温·弗雷；萨尔大学的约翰·莱因哈德；和怀特海德生物医学研究所的S·扎卡里·斯沃茨。
细胞电路
法赫里的团队在麻省理工学院研究驱动细胞生长和发育的物理动态。她特别对对称感兴趣，以及在细胞生长和分裂时如何遵循或打破对称的过程。她表示，五肢海星是探索生长、对称和早期发育问题的理想生物。
“海星是一个令人着迷的系统，因为它从一个对称细胞开始，并在早期阶段成为一个双侧对称的幼虫，然后发展成五辐射对称的成年体，”法赫里说。“在这个过程中发生了所有这些信号传导过程，告诉细胞如何组织。”
科学家们长期以来对海星及其不同发育阶段进行了研究。在许多发现中，研究人员发现了控制海星卵细胞运动和形状的关键“电路”。这个电路涉及一种在细胞质中自然循环的酶GEF。当这种酶被激活时，它会诱导一种被称为Rho的蛋白质发生变化，这种蛋白质被认为对于调节细胞机械性至关重要。
当GEF酶刺激Rho时，它使得蛋白质从一种基本上自由漂浮的状态转变为一种将蛋白质结合到细胞膜的状态。在这种膜结合状态下，蛋白质随后触发生长鞋微小的、类肌肉纤维，这些纤维穿过膜并随后抽动，使细胞能够收缩和移动。
在之前的工作中，法赫里的团队展示了通过改变细胞中GEF酶的浓度可以操控细胞的运动：他们引入的酶越多，细胞展示的收缩也越多。
“这个想法让我们思考是否有可能破解这个电路，不仅改变细胞的运动模式，还能获得所需的机械响应，”法赫里说。
光和行动
为了精确操控细胞的运动，团队寻找光遗传学——一种涉及基因工程细胞及细胞成分（如蛋白质和酶）的方法，使其在响应光时激活。
利用已建立的光遗传学技术，研究人员开发出一种对光敏感的GEF酶版本。基于这种工程酶，他们分离其mRNA——本质上是构建这种酶的遗传蓝图。随后，他们将这个蓝图注入从一个海星卵巢中提取的卵细胞，这个卵巢可以容纳数百万个未受精的细胞。注入新的mRNA后，细胞开始自行产生对光敏感的GEF酶。
在实验中，研究人员将每个注入酶的卵细胞置于显微镜下，并从细胞周边的不同点以不同的模式照射光线。然后他们录制细胞对光线的运动反应视频。
他们发现，当光线照射到特定点时，GEF酶被激活并招募Rho蛋白到光照目标位置。在那里，蛋白质引发其特征级联的类肌肉纤维，在相同的光刺激点拉动或捏紧细胞。就像拉扯木偶的线一样，他们能够控制细胞的运动，例如指引细胞变形为各种形状，包括正方形。
令人惊讶的是，他们还发现通过在一个点照射光线，超越特定的酶浓度阈值，可以刺激细胞进行大幅收缩。
“我们意识到这个Rho-GEF电路是一个兴奋性系统，小的、及时的刺激可以引发大的、全或无的响应。”法赫里说。“因此我们可以照亮整个细胞，或者只在细胞的一个小地方，这样足够的酶就会被招募到该区域，使系统启动收缩或捏合。”
研究人员将他们的观察结果汇编在一起，得出一个理论框架，以预测细胞的形状将如何变化，具体取决于它如何受到光刺激。法赫里说，该框架为“细胞重塑核心的‘兴奋性’打开了一扇窗，这是胚胎发育和伤口愈合的基本过程。”
她补充道：“这项工作提供了设计‘可编程’合成细胞的蓝图，让研究人员在未来的生物医学应用中任意安排形状变化。”
这项工作部分得到了斯隆基金会和国家科学基金会的支持。
