没大脑的细菌和癌细胞凭什么走出曲折复杂的迷宫

2020-09-15

科学家对细菌和癌细胞进行的迷宫实验，对于生物医学有着十分重要的价值，它为了解哺乳动物胚胎发育的早期过程，以及癌细胞的转移提供了新的研究窗口。

或许你只听说过科学家训练小鼠走迷宫，但是你知道细胞和细菌也会走迷宫吗？最新一期《科学》杂志发表了一项很有意思的研究：英国癌症研究所和格拉斯哥大学的科学家们制作了一个汉普敦宫迷宫的模拟版，将细菌和癌症细胞放入其中，看它们能否走出迷宫，没想到无论是低等生物还是生命的基本单元都完成了这个任务。

科学家为什么会选择这两种生命单元进行迷宫试验？它们是怎么走出迷宫的？这个研究结果对于人类来说有何意义？科技日报记者就此采访了相关专家，请他讲讲其中的奥秘。

为什么选择它们走迷宫？两位“选手”都非等闲之辈且都会移动

“Dictyostelium discoideum”，这个“你不认识它、它也不认识你”的名字被翻译成盘基网柄菌。

微生物那么多，英国癌症研究所和格拉斯哥大学的科学家们为什么会认为这种细菌能走迷宫，并给了它这个机会呢？

“盘基网柄菌可以形成‘体’，即把自己‘摞’起来，从而抱团成为多细胞体。”中国科学院微生物研究所研究员朱宝利告诉科技日报记者，成为多细胞体之后，它们的单细胞之间还有协作能力。能抱团还能组团做事，盘基网柄菌这样的特性给科学家们出了一个难题：它究竟是多细胞还是单细胞呢？

由于这种典型特性，在2000年前后，美国国立卫生研究院把盘基网柄菌列为一种介于单细胞和多细胞之间的模式生物。生物学家专门用它们进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象。因此很多科学家用它做过研究，朱宝利也研究过它。

“它能够长期、长距离地迁徙，但移动得不太明显，没有那么大活力。”朱宝利说，它得依靠一个表面才能动。如果制作一个平培养基，可以直观观察到它们是有“位移”的。而普通细菌形成的菌落是固定的。

真正让它成为“明星”的是基因组研究计划。朱宝利介绍，当时的基因组计划中纳入了50种生物，盘基网柄菌由于介于单细胞和多细胞之间，被认为对于研究生物的进化非常有意义。研究生物如何进化到人类是基因组研究的一项目标，而盘基网柄菌被列为进化的起点。

相较于盘基网柄菌的鲜为人知，癌症细胞的“神出鬼没”有目共睹，它会潜伏、还会转移。《新英格兰》杂志曾报道过一例临床案例：一个肾移植受者的移植肾里长出一个黑色素瘤，排除自身的各种因素，持续追查之后才发现，原来是供者在20年前得过黑色素瘤，但后来治好了。这个堪比刑侦大剧的案例，充分说明癌症细胞会潜伏、能转移。

在论文中，研究人员也描述了两个生命单元的特殊性：前者能在相距很远的地方找到它的同类，后者则能让癌症迅速遍布全身。

它们怎样走出迷宫？营养物的浓度梯度是最好的“记号”

既然转移是它们的日常，它们又是如何走出迷宫的？

如同植物总是爱追逐阳光一样，这两种生命单元总是爱追逐营养物质。

营养的驱动力如何转化成细菌和细胞的移动动力呢？论文中给出解释，自生梯度形成了细菌和细胞“长途迁移”的驱动力，并成为路线决策的驱动力。

所谓自生梯度就是由细胞降解局部营养物质，给自己制造一个营养浓度差。

以癌症细胞为例，它被公认为是最需要养分的细胞，一旦生成就会与机体争抢能量，可见它对培养基中的养分有着强大的分解能力。这里的养分被“吃”光了，其他地方的养分浓度就会比这里的养分浓度高，进而形成浓度梯度，推动癌细胞前进。

那么它们又是如何判断选哪条路或者哪里是死胡同呢？

研究迷宫的走法或许会有所启发。据记载，迷宫的走法规则有3条：进入迷宫后，可以任选一条道路往前走；如果遇到走不通的死胡同，就马上返回，并在该路口做个记号；如果遇到了叉路口，观察一下是否还有没有走过的通道，有就任选一条通道往前走，没有就顺着原路返回上一个叉路口，并做个记号。然后就重复第二条和第三条所说的走法，直到找到出口为止。

很显然，根据这样的法则，走迷宫不需要思考，只需要记号。而营养物的浓度梯度是细菌和癌细胞最好的“记号”。

“死胡同意味着营养物质会消耗殆尽，其他细胞也就不会再来，而岔路如果最终导向死胡同，也会造成细胞的往返，最终比顺畅的路消耗更多的营养。”朱宝利解释。

从创新性而言，整个研究发明了能够观测和计算整个过程的方法，利用自生梯度的计算和数学模型来预测迷宫中细胞的寻路能力，并用迷宫中的实际细胞来测试结果。

走出迷宫意义何在？为了解癌细胞转移等问题提供了新窗口

在发育和转移过程中，细胞迁移通常由趋化性引导，即细胞会根据某些化学物质的浓度梯度，从低浓度向高浓度区域迁移。但人们往往关注环境中的趋化作用，事实上很多时候环境梯度不能引导细胞越过复杂的环境迁移到很远的地方。

而这项研究证实，自生梯度可以为细菌和细胞在长而曲折的路径上导航，并在活路和死胡同之间做出准确的选择，这使得细胞能够有效地解决复杂的迷宫问题。

研究者们还用数学的方式做了精确描述，找到了细胞寻找活路的准确性与引诱剂扩散率、细胞速度、路径复杂度的关系，并能预测其成功率。

这项结果对于生物医学有着十分重要的价值，比如它为了解哺乳动物胚胎发育的早期过程，以及癌细胞的转移提供了新的研究窗口。

或许你还在为细菌和癌细胞会走迷宫的技能感到惊奇。但从进化的角度来看，无论是微生物还是癌细胞，它们已经在地球上生存许久，年轻的人类现在可能仅仅只是在这些古老生物创造的“迷宫”门口徘徊。