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阿米巴變形蟲懂「迷宮尋路」,助解細胞移動之謎

2020/9/1 — 10:58

對於細胞而言,人體就如一個大迷宮。然而即使細胞在此錯綜複雜的網絡中,大部份仍可準確抵達目的地。英國格拉斯哥大學生物學研究人員則想了解究竟細胞可否解開英國漢普頓宮迷宮。

身體結構複雜,各種管道有如迷宮,身體細胞、細菌或單細胞生物會依靠環境中的化學物質移動,微生物學稱為趨化性 (chemotaxis) 機制,細胞趨化性讓牠們可以根據周邊環境的化學標記幫助辨識位置。精子細胞、白血球細胞,甚至是癌細胞都分別以此機制尋找相應目標。研究團隊製造了微型版英國漢普頓宮 (Hampton Court Palace) 迷宮,以及數個難度各異的微型迷宮,測試單細胞生物,俗稱阿米巴變形蟲 (Amoeba) 的「解謎能力」。 

團隊發現阿米巴變形蟲可以非常精準地利用趨化性機制,透過偵測化學物腺苷酸 (adenosine monophosphate) 找到出口;更令人驚嘆的是,牠們有時竟可在走到死胡同前已知「此路不通」而避開。有份參與研究的細胞生物學教授 Robert Insall 解釋,阿米巴變形蟲可分解面前的化學物,由此可知悉到迷宮哪一條路可通往出口,哪一條路只是死胡同。

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團隊在刊於《科學》的報告解釋,阿米巴變形蟲是利用一種自生趨化作用。此作用的基本原理是「細胞會偏向從只有低濃度化學物地方,移動至較高化學物濃度的位置。當細胞面對多條通道時,細胞會將面前的化學物分子分解,令周邊的化學物擴散至該範圍。隨著細胞前進,途中的化學物濃度將不斷減少,而死胡同上的化學物更會耗盡,令細胞知道「此路不通」,而挑選另一條化學物較多的路。

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今次實驗中,團隊讓阿米巴變形蟲在只有 10–40 微米 (micron) 、難度不一的迷宮走動。阿米巴變形蟲最快在 30 分鐘內走完迷宮,最慢的則花上 2 小時。不過阿米巴變形蟲無法完成難度高的仿製塔奎爾莊園迷宮。先後次序也會影響阿米巴變形蟲的成功機會,團隊發現最先放進迷宮內的阿米巴變形蟲就最有機會完成迷宮。研究人員也觀察到,當阿米巴變形蟲面對死胡同跟出口一樣長的「通道」時,他們選中正確通道的機會則只有 50% 。

團隊指今次研究顯示細胞移動機制遠比我們想像中複雜,而今次研究則顯示細胞在大部份時間都可能是以此機制運作。他們也認為人體細胞也是與阿米巴變形蟲一樣,可以以此機制在人體內移動,前往不同目的地,但指引牠們的化學物則更多、更複雜。

來源:
LiveScience, Cells solved Henry VIII's infamous hedge maze by 'seeing around corners,' video shows, 28 August 2020

報告:
Tweedy, L., Thomason, P.A., Paschke, P.I. & et al. (2020). Seeing around corners: Cells solve mazes and respond at a distance using attractant breakdown. Science, 369, 6507. DOI: 10.1126/science.aay9792

文/Edward Ho

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