物理作用力:掌控生物命运的另一把钥匙

作者: 吴兰

来源: 环球科学

发布日期: 2017-05-23

力学生物学是一个新兴的跨学科领域,研究物理作用力对生物体的影响,特别是在细胞和组织层面的作用。新加坡国立大学力学生物学研究所(MBI)在这一领域处于领先地位,通过多学科交叉研究,探索机械刺激如何影响生物体的发育和功能。MBI的研究成果不仅在学术界有重要影响,也在生物工程和美容行业等实际应用中展现了潜力。

自达尔文时代起,物理作用力对生物体的影响就被研究者大大低估。然而,上世纪80年代兴起的一个由物理学、生命科学、工程学等学科交叉的前沿领域——力学生物学,正在探究外界的机械刺激对细胞、组织及个体命运的重要影响,帮助解开生命的各种谜题。新加坡国立大学力学生物学研究所(MBI)的一间小会议室里,埃里克·王博士站在讲台上,台下坐满了听众,等待聆听他的学术报告。MBI每年定期向公众开放。

4月初,MBI与欧莱雅共同邀请全球各大媒体参加开放活动,《环球科学》记者是受邀者之一。作为一个拥有生物安全二级实验室,并将多学科高度融合的研究机构,MBI的开放活动经过研究人员的精心设计与组织,进入实验室的公众可以聆听科普讲座、参加研究报告会,并观摩研究人员操作大型精密仪器进行实验,还能身着安全防护服进入特殊区域,在研究人员的陪同与讲解中,近距离接触受到严格管控的珍贵研究工具与材料。

力学生物学是一门非常年轻的前沿交叉学科。2009年由新加坡国立大学组建的MBI位于新加坡高等教育以及高新技术产业聚集的西南部。MBI副所长、生物物理学家G·V·希瓦尚卡教授刚刚向到访者介绍了力学生物学的基本概念:生物细胞可以感知外界的机械作用力;而力学生物学研究的主要任务,即是探究外界的机械刺激如何被生物体感知,并转换为生物化学信号,继而影响细胞及组织的增殖、发育等生命活动。

埃里克·王报告中的主角,是一对名叫YAP和YAZ的蛋白。YAP和YAZ,以及控制它们的Hippo通路,早已是生物学领域的“明星”。研究者早已发现,外界的机械刺激可以影响细胞、组织的发育或恶化,而近年来的力学生物学研究,将这一现象同YAP/YAZ和Hippo通路联系起来:除了执行传统的生物化学功能,YAP/YAZ还具有感受机械信号,并将其转化为生物化学信号的独特作用。

力学生物学在上世纪80年代开始成为生命科学研究的重要分支。但实际上,早在100多年前,生物学家就开始关注物理作用力对生物的影响。苏格兰生物学家、数学家达西·汤普森1917年出版的《生长与形态》,是最早关注物理作用力影响动植物形态、发育及进化的著作。

技术创新推动基础研究,基础研究同时也反哺技术。目前,力学生物学研究已经在多个领域实现技术应用,生物工程技术便是其中之一。MBI技术创新团队开发出了一种专门容纳单个或双个细胞的芯片,研究者可以定制芯片的表面化学性质,从而控制细胞三维微环境的物理参数,然后运用高分辨率显微镜观察单个或双个细胞的生长及动态变化。

稳步前进,技术创新、分子、细胞及组织层面的力学生物学研究,是力学生物学的四个重要发展层面,也是MBI 75位科学家正在开展的四大类交叉前沿研究。这些科学家的背景多元,涵盖物理学、生物物理学、材料学、工程学和生命科学,良好的交叉研究氛围以及先进的研究管理理念,使得年轻的MBI被业内誉为领军者,成为全球五大力学生物学研究机构之一。

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