細(xì)胞所面臨的一個常見問題是，它們被一股喜歡的氣味所包圍，必須確定其來源的方向。例如，神經(jīng)細(xì)胞，形成長的延伸，被來自其他細(xì)胞的信號所吸引，以產(chǎn)生形成神經(jīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)；同樣，清除細(xì)胞可識別有害細(xì)菌的氣味，以便可以追趕和破壞它們。

但是，細(xì)胞如何感知這些氣味信號呢——因?yàn)殡S著距離的增加這些信號變得越來越弱，細(xì)胞如何“讀取”這個信號的減弱——技術(shù)上稱為作為一個信號梯度，以便引導(dǎo)它們生長或朝著信號的來源移動？空間信號是如何被感知的，是生物學(xué)面臨的一個基本問題——目前為止這個謎一直懸而未決。

傳感器、處理器和發(fā)動機(jī)一體化

現(xiàn)在，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）生物化學(xué)研究所的Matthias Peter教授帶領(lǐng)的研究小組，提出了一個可能的解決方案。酵母細(xì)胞有一種非常好的、可調(diào)節(jié)的多用工具，來識別化學(xué)信號，相應(yīng)地處理它們，并啟動正確的響應(yīng)——朝著信號源的方向生長。因此，酵母細(xì)胞就能夠聞到潛在性伴侶在周圍環(huán)境中的位置，這樣就可以朝著它們的方向生長。

生物學(xué)家將顯微觀察和通過跨學(xué)科合作開發(fā)的計(jì)算機(jī)模型結(jié)合起來，開展這項(xiàng)研究。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的《Developmental Cell》雜志。

這一多用工具由許多蛋白構(gòu)成

如果細(xì)胞認(rèn)為附近有信號梯度，它就在細(xì)胞膜的一個隨機(jī)位置組裝這種多用工具。這種工具是一個大的蛋白復(fù)合物，由100個以上的不同成分組成，其復(fù)雜性是如此之大，因此它可以通過熒光顯微鏡來觀察。研究人員將其稱為一個‘極性站點(diǎn)’（PS），因?yàn)樵谒纬傻奈恢瞄_始極性生長。

使用熒光顯微鏡，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)觀察到PS是如何定位一個梯度信號的來源的。首先，PS沿著膜向更強(qiáng)的信號移動。一旦它已經(jīng)確定了最強(qiáng)的信號，即在梯度中最大量的信號物質(zhì)，它就停止移動。然后，在這個位置上，PS會在細(xì)胞中產(chǎn)生一個隆起，繼續(xù)朝著信號源的方向發(fā)展。很自然地，當(dāng)一個性伴侶和兩個細(xì)胞一旦找到對方時(shí)，兩者融合起來，就會產(chǎn)生這種信號。

使用一個模型簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)

為了理解這個過程的分子力學(xué)，研究人員提到了計(jì)算機(jī)模型。這項(xiàng)研究的第一作者Björn Hegemann指出：“這種模式確實(shí)幫助我們減少了P S的復(fù)雜性和到幾個重要部件的過程。”這些關(guān)鍵的機(jī)制部件包括一個接收和轉(zhuǎn)發(fā)信號的受體；其他包括Cdc42蛋白——攜帶受體沿著膜移動，Cdc24蛋白——調(diào)節(jié)Cdc42的活性。你可以將這個受體描述為鼻子，Cdc42作為機(jī)械的輪子，Cdc24作為剎車。”

雖然PS穿過了細(xì)胞膜并尋找一個更強(qiáng)的化學(xué)信號，但是，只有少數(shù)的破壞蛋白質(zhì)Cdc24分子存在于機(jī)械中。一旦它發(fā)現(xiàn)信號的最大濃度，PS就請求額外的Cdc24分子——它們存儲在細(xì)胞核中，結(jié)合到復(fù)雜合物上。附著于PS機(jī)械的Cdc24分子越多，速度就會越來越慢。然而，只有當(dāng)Cdc24數(shù)超過一定閾值時(shí)，PS才會完全停止，并在細(xì)胞中開始形成隆起。

一塊重要的基石

Hegemann對這些新發(fā)現(xiàn)感到非常高興，他說：“首先，我們用熒光顯微鏡觀察了極性部位的運(yùn)動。然后，我們在計(jì)算機(jī)上模擬了這一運(yùn)動，這得使我們能夠提出一種假設(shè)，來解釋這種運(yùn)動是如何被控制的。那么，我們就可以通過突變和使用熒光顯微鏡，實(shí)驗(yàn)性地確認(rèn)這一假設(shè)。”他說，相對簡單的計(jì)算機(jī)模型，通過使研究人員能夠快速改變組件以及確定重要方面，為實(shí)驗(yàn)規(guī)劃提供了一個良好的基礎(chǔ)。他說，這使得這項(xiàng)研究更為簡單，因?yàn)闆]有必要對每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

Hegemann假定，它不僅僅是酵母細(xì)胞使用一種多用工具來組裝極性部位。在裂解酵母（S. pombe）和線蟲（C. elegans）中，類似于PS的行為也被觀察到，但是沒有分子解釋。ETH的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)提供了這一解釋，第一次詳細(xì)描述了細(xì)胞如何能定位一個氣味梯度。這項(xiàng)工作，為進(jìn)一步研究細(xì)胞感知的空間信號——無論是酵母還是人類，都奠定了重要的基礎(chǔ)。根據(jù)Hegemann介紹，目前沒有設(shè)想直接的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：“在遙遠(yuǎn)的未來，這項(xiàng)工作可能對公眾有益。然而，在目前，它主要代表了基礎(chǔ)研究的一個重要進(jìn)步。”