沒大腦的細菌和癌細胞 憑什麼走出曲折複雜的迷宮

科學家對細菌和癌細胞進行的迷宮實驗，對於生物醫學有着十分重要的價值，它為了解哺乳動物胚胎髮育的早期過程，以及癌細胞的轉移提供了新的研究窗口。

或許你只聽説過科學家訓練小鼠走迷宮，但是你知道細胞和細菌也會走迷宮嗎？最新一期《科學》雜誌發表了一項很有意思的研究：英國癌症研究所和格拉斯哥大學的科學家們製作了一個漢普敦宮迷宮的模擬版，將細菌和癌症細胞放入其中，看它們能否走出迷宮，沒想到無論是低等生物還是生命的基本單元都完成了這個任務。

科學家為什麼會選擇這兩種生命單元進行迷宮試驗？它們是怎麼走出迷宮的？這個研究結果對於人類來説有何意義？科技日報記者就此採訪了相關專家，請他講講其中的奧秘。

為什麼選擇它們走迷宮？ 兩位“選手”都非等閒之輩且都會移動

“Dictyostelium discoideum”，這個“你不認識它、它也不認識你”的名字被翻譯成盤基網柄菌。

微生物那麼多，英國癌症研究所和格拉斯哥大學的科學家們為什麼會認為這種細菌能走迷宮，並給了它這個機會呢？

“盤基網柄菌可以形成‘體’，即把自己‘摞’起來，從而抱團成為多細胞體。”中國科學院微生物研究所研究員朱寶利告訴科技日報記者，成為多細胞體之後，它們的單細胞之間還有協作能力。能抱團還能組團做事，盤基網柄菌這樣的特性給科學家們出了一個難題：它究竟是多細胞還是單細胞呢？

由於這種典型特性，在2000年前後，美國國立衞生研究院把盤基網柄菌列為一種介於單細胞和多細胞之間的模式生物。生物學家專門用它們進行科學研究，用於揭示某種具有普遍規律的生命現象。因此很多科學家用它做過研究，朱寶利也研究過它。

“它能夠長期、長距離地遷徙，但移動得不太明顯，沒有那麼大活力。”朱寶利説，它得依靠一個表面才能動。如果製作一個平培養基，可以直觀觀察到它們是有“位移”的。而普通細菌形成的菌落是固定的。

真正讓它成為“明星”的是基因組研究計劃。朱寶利介紹，當時的基因組計劃中納入了50種生物，盤基網柄菌由於介於單細胞和多細胞之間，被認為對於研究生物的進化非常有意義。研究生物如何進化到人類是基因組研究的一項目標，而盤基網柄菌被列為進化的起點。

相較於盤基網柄菌的鮮為人知，癌症細胞的“神出鬼沒”有目共睹，它會潛伏、還會轉移。《新英格蘭》雜誌曾報道過一例臨牀案例：一個腎移植受者的移植腎里長出一個黑色素瘤，排除自身的各種因素，持續追查之後才發現，原來是供者在20年前得過黑色素瘤，但後來治好了。這個堪比刑偵大劇的案例，充分説明癌症細胞會潛伏、能轉移。

在論文中，研究人員也描述了兩個生命單元的特殊性：前者能在相距很遠的地方找到它的同類，後者則能讓癌症迅速遍佈全身。

它們怎樣走出迷宮？ 營養物的濃度梯度是最好的“記號”

既然轉移是它們的日常，它們又是如何走出迷宮的？

如同植物總是愛追逐陽光一樣，這兩種生命單元總是愛追逐營養物質。

營養的驅動力如何轉化成細菌和細胞的移動動力呢？論文中給出解釋，自生梯度形成了細菌和細胞“長途遷移”的驅動力，併成為路線決策的驅動力。

所謂自生梯度就是由細胞降解局部營養物質，給自己製造一個營養濃度差。

以癌症細胞為例，它被公認為是最需要養分的細胞，一旦生成就會與機體爭搶能量，可見它對培養基中的養分有着強大的分解能力。這裏的養分被“吃”光了，其他地方的養分濃度就會比這裏的養分濃度高，進而形成濃度梯度，推動癌細胞前進。

那麼它們又是如何判斷選哪條路或者哪裏是死衚衕呢？

研究迷宮的走法或許會有所啓發。據記載，迷宮的走法規則有3條：進入迷宮後，可以任選一條道路往前走；如果遇到走不通的死衚衕，就馬上返回，並在該路口做個記號；如果遇到了叉路口，觀察一下是否還有沒有走過的通道，有就任選一條通道往前走，沒有就順着原路返回上一個叉路口，並做個記號。然後就重複第二條和第三條所説的走法，直到找到出口為止。

很顯然，根據這樣的法則，走迷宮不需要思考，只需要記號。而營養物的濃度梯度是細菌和癌細胞最好的“記號”。

“死衚衕意味着營養物質會消耗殆盡，其他細胞也就不會再來，而岔路如果最終導向死衚衕，也會造成細胞的往返，最終比順暢的路消耗更多的營養。”朱寶利解釋。

從創新性而言，整個研究發明了能夠觀測和計算整個過程的方法，利用自生梯度的計算和數學模型來預測迷宮中細胞的尋路能力，並用迷宮中的實際細胞來測試結果。

走出迷宮意義何在？ 為了解癌細胞轉移等問題提供了新窗口

在發育和轉移過程中，細胞遷移通常由趨化性引導，即細胞會根據某些化學物質的濃度梯度，從低濃度向高濃度區域遷移。但人們往往關注環境中的趨化作用，事實上很多時候環境梯度不能引導細胞越過複雜的環境遷移到很遠的地方。

而這項研究證實，自生梯度可以為細菌和細胞在長而曲折的路徑上導航，並在活路和死衚衕之間做出準確的選擇，這使得細胞能夠有效地解決複雜的迷宮問題。

研究者們還用數學的方式做了精確描述，找到了細胞尋找活路的準確性與引誘劑擴散率、細胞速度、路徑複雜度的關係，並能預測其成功率。

這項結果對於生物醫學有着十分重要的價值，比如它為了解哺乳動物胚胎髮育的早期過程，以及癌細胞的轉移提供了新的研究窗口。

或許你還在為細菌和癌細胞會走迷宮的技能感到驚奇。但從進化的角度來看，無論是微生物還是癌細胞，它們已經在地球上生存許久，年輕的人類現在可能僅僅只是在這些古老生物創造的“迷宮”門口徘徊。

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發現“癌細胞與原始細胞很像”的證據

一直以來，癌症細胞一直是人類棘手的對頭，也是醫學研究最多的對象。

過去的一些研究給出了“癌細胞與原始細胞很像”的一些證據。比如，病毒、有害菌、有害化學物侵入之後，“潛入”細胞生命活動打擊細胞，而原始細胞會用休眠應對危害，當這些危害自然衰退後，再啓動生命活動。這種“卧薪嚐膽、伺機再戰”的特性也被發現在一些癌症細胞中存在。

值得一提的是，這個研究給“癌細胞與原始細胞很像”找到了更確鑿的證據。該研究證實，癌細胞與原始細胞都能遠距離移動，並且移動原理也一樣。

此外，香港中文大學醫學院教授於君團隊近期在胃癌組織中發現了細菌，並且觀測到了壞細菌的增多。

“國外科學家最近也在癌症組織中發現了細菌，但現在説不清楚細菌是怎麼來的，是細菌引起的癌症還是免疫系統出現漏洞後，它們乘虛而入的。”朱寶利説，也可能是其他的原因。