在发育的这个阶段，胚胎染色体(在中心显示为红色)正准备在第一次细胞分裂期间分离。该装置的尖头可以看到绿色荧光，周围有绿色荧光的肌动蛋白。图片来源:托尼·佩里教授

　　科学家们首次在细胞内部添加了微观跟踪设备，让人们得以一窥发育是如何开始的。

　　科学家们首次将微型追踪设备直接引入哺乳动物细胞内部，对控制发育开始的过程进行了前所未有的观察。这项对单细胞胚胎的研究将改变我们对支撑细胞行为的一般机制的理解，并可能最终为衰老和疾病的问题提供洞见。

　　这项研究由巴斯大学生物与生物化学系的托尼·佩里教授领导，包括将硅基纳米设备与精子一起注射到老鼠的卵细胞中。结果得到了一个健康的、含有追踪装置的受精卵。这种微小的装置有点像蜘蛛，有8条高度灵活的“腿”。“腿”可以非常精确地测量细胞内部施加的“拉”和“推”力，从而揭示起作用的细胞力，并显示细胞内的物质是如何随着时间的推移而重新排列的。

　　五个老鼠胚胎，每个胚胎都含有一个2200万分之一米长的纳米装置。影片从胚胎2小时开始，持续5小时。每个胚胎的直径约为百万分之一米。图片来源:托尼·佩里教授

　　这种纳米器件非常薄，与细胞的一些结构组件相似，尺寸为22纳米，比一枚一磅硬币的厚度约为10万倍。这意味着当单细胞胚胎开始向双细胞胚胎转变时，它们可以灵活地记录细胞质的运动。

　　佩里教授说:“这是第一次从内部看到这种规模的任何细胞的物理特性。”“这是人们第一次从内部看到细胞物质是如何移动和组织自己的。”

　　为什么要探测细胞的机械行为?

　　佩里教授解释说，细胞内的活动决定了细胞的功能。他说:“细胞内物质的行为对细胞行为的影响可能与基因表达一样大。”然而，到目前为止，这种复杂的细胞物质的舞蹈在很大程度上还没有被研究过。因此，科学家们已经能够确定构成细胞的元素，但不能确定细胞内部作为一个整体的行为方式。

　　佩里教授说:“从生物学和胚胎学的研究中，我们知道某些分子和细胞现象，我们已经把这些信息编织成一种事情如何运作的还原主义叙事，但现在这种叙事正在改变。”这个故事大部分是由生物学家写的，他们带来了生物学的问题和工具。缺少的是物理。物理学询问驱动细胞行为的力量，并提供了一个自上而下的方法来找到答案。

　　“我们现在可以把细胞作为一个整体来看待，而不仅仅是它的具体组成部分。”

　　选择小鼠胚胎进行研究是因为它们的尺寸相对较大(它们的直径为100微米，或1亿分之一米，而普通细胞的直径只有10微米(1亿分之一米))。这意味着在每个胚胎内部，都有空间放置追踪设备。

　　研究人员通过观察胚胎发育过程中通过显微镜拍摄的视频来进行测量。佩里教授说:“有时候，这些装置会受到比肌肉细胞内部更大的力量的影响而倾斜和扭曲。”在其他时候，这些设备移动得很少，表明牢房内部已经变得平静。这些过程并不是随机的——从你有一个单细胞胚胎的那一刻起，一切都是按照可预测的方式进行的。物理是程式化的。”

　　这一结果进一步证明了生物学的一个新观点，即活细胞内的物质不是静态的，而是随着细胞执行其功能或对环境做出反应而以预先设定的方式改变其属性。这项工作可能有一天会对我们理解细胞如何衰老或停止正常工作产生影响，这是在疾病中发生的。

　　这项研究发表在本周的《自然材料》杂志上，涉及英国、西班牙和美国的生物学家、材料科学家和物理学家之间的跨学科合作。

　　参考文献:“追踪小鼠单细胞胚胎发育中的细胞内力量和力学性能变化”，Marta Duch, Núria Torras, Maki Asami, Toru Suzuki, María Isabel Arjona, Rodrigo Gómez-Martínez, Matthew D. VerMilyea, Robert Castilla, José Antonio Plaza和Anthony C. F. Perry, 2020年5月25日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 020 - 0685 - 9

　　这项研究发表在本周的《自然材料》杂志上，涉及到由Perry教授领导的巴斯的胚胎学家和美国的跨学科伙伴关系，以及由José Antonio Plaza教授领导的西班牙巴塞罗那研究所(IMB-CNM)的材料科学家和物理学家。