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倒着画出来的科研成果 |
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王记增小组破解细胞骨架成分长度刚度关系之谜 |
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■本报记者 刘晓倩
一张倒着画的曲线图，让王记增和他的团队走出了困扰细胞生物力学界几十年的怪圈——为什么用不同实验方法测得的蛋白质微管等效弯曲刚度会相差几个数量级？
蛋白质微管是构成细胞“骨架”的主要结构之一，而这一怪圈是细胞生物力学界几十年都没能啃下来的“硬骨头”。
在近日出版的国际期刊《生物物理学杂志》上，兰州大学王记增小组对这个问题交出了完美的答卷。
一场国际权威专家的争论
事情还要从一场德国与美国生物力学界权威专家的争论说起。
蠕虫链模型是最成功的经典高分子物理模型之一。在该模型中，用来刻画高分子弯曲刚度的重要特征参数——持续长度，一直被认为是与聚合物分子长度无关的常数。
对于细胞中的微管，持续长度是否仍为常数，而不是随其长度变化？为什么用不同的实验方法测量所得微管的持续长度会相差几个数量级？
德国慕尼黑大学统计与生物物理部主席Erwin Frey教授的研究小组特意设计实验，测量了不同长度微管的持续长度，并于2006年在《美国科学院院刊》上撰文发表了其实验结果，他们认为微管的持续长度是依赖于其几何长度的。
而另一派权威专家却否认这一观点。
美国密歇根大学教授David Sept的小组和荷兰阿姆斯特丹大学软物质与生物物质物理学教授Fred MacKintosh的小组，联合运用分子动力学仿真研究了微管的持续长度，并于2010年在《物理评论快报》上撰文指出，微管的持续长度是独立于其几何长度的，不同长度的微管均具有相同的持续长度。
两方僵持不下，谁也不能说服谁。
这场争论，激发了兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室教授王记增的好奇心。
倒着画出新天地
然而，王记增和他的团队在这项研究上并非一帆风顺。在数次更换模型、数次计算失败之后，他们走进了死胡同。
“还是不对，这个曲线图的数据不是我想要的！”几次更改都得不到想要的数据，王记增终于恼了。
他双眉紧锁，语气中有明显的责备，“你再画一遍，倒着画！”王记增对他的学生、后来的论文第一作者刘小靖说。
“倒着画？”刘小靖心里纳闷，但还是照着老师的指示做了。
没想到，“倒着画”得出的数据让他们的研究走出了死胡同，并对论文《微管的奇异弯曲行为》起到了关键性的作用。
这篇论文在耦合结构力学与聚合物分子理论的基础上，分别从弯曲、屈曲及统计热力学行为等角度，系统研究了细胞“骨架”中微管的力学性质，首次给出了刻画微管等效弯曲刚度的特征量——持续长度随几何尺寸、材料参数及加载方式变化的一个封闭形式解析表达式，从而完美解释了为什么基于不同实验技术与方法测量所得微管持续长度相差几个数量级的难题。
“科学创新需要发散性思维，没有规律可言，不会走完A，就一定是B。”回忆起当日如何走出困境，王记增对《中国科学报》记者说。
“马尾辫”反而比“板寸”更硬
在研究过程中，王记增小组还有一个意外的收获：发现了细胞“骨架”硬度的力学奥秘。
“你说是板寸硬还是马尾辫硬？”对于该发现，王记增形象地打了个比方。“当然是板寸硬。因为头发越短越硬，越长越软，这是普遍规律。”
但他们的研究发现，形状似头发丝的蛋白质微管有一个奇异的力学特性——其具有的热扰动刚度在15微米左右最硬，1.5微米左右最软。
王记增介绍说，这一奇异弯曲行为可解释细胞有丝分裂后期，由微管构成的纺锤体如何有效地将具有细胞尺寸间距的两个中心粒连同染色质一起撑开，而不至于发生屈曲失稳。
“细胞骨架决定着真核细胞的力学性质，并与其移动、生长、分化和繁殖等基本细胞功能有关。”王记增告诉记者，该研究虽然看似理论性很强，但有助于加深对作为细胞骨架基本构成单元的微管、微丝和中间丝等生物聚合物分子统计力学性质与行为的认识，对从分子与细胞层次理解生命现象乃至重大疾病的发病机理也有着深远的影响。
论文评审人亦认为：“其揭示的蛋白质微管力学性质的尺寸效应非常重要且意义深远，将引起生物物理学界的广泛兴趣。”
《中国科学报》 (2012-06-06 A4 综合)
