细胞运动的新数学模型

描述细胞在运动过程中如何改变形状的数学模型表明，运动主要是由称为“肌球蛋白”的骨骼蛋白的收缩驱动的。宾夕法尼亚州立大学开发的新模型可以帮助研究人员更好地了解细胞运动发挥关键作用的各种生物过程，还可以为模拟生物过程的人工系统的开发提供信息。

“这项工作的重点是开发最小的数学模型，这些模型足够简单，可以进行严格的分析，但仍能捕捉到关键的生物现象，”宾夕法尼亚州立大学数学教授、该研究团队的负责人 Leonid Berlyand 说。“我们模型的重点是捕捉由肌球蛋白收缩驱动的细胞运动的开始，重点是分析实验中观察到的这种运动的稳定性。”

根据宾夕法尼亚州立大学博士生和该论文的作者 C. Alex Safsten 的说法，一些细胞——例如“角膜细胞”——有助于维持眼睛角膜的结构和透明度——自然地在表面移动。通常，这些细胞的运动方式是首先沿行进方向突出其细胞膜的一部分，将该突出物粘附到表面，然后收缩形成细胞“骨骼”结构一部分的蛋白质以驱动细胞前进。

为了更深入地研究它是如何工作的，研究小组扩展了以前的模型，这些模型在一维中描述了细胞运动，以建立一个二维模型。重要的是，模型是稳定的——这意味着小扰动不会干扰模型中细胞的运动，这与实际实验经验一致。数学模型还可以梳理细胞运动各个阶段的贡献：突出、粘附和收缩。通过这种方式，研究人员能够证明肌球蛋白的收缩足以解释细胞运动。

这些模型的一个潜在应用是“仿生”系统——模拟生物过程的工程系统。

“进化已经优化了数百万年的生物过程，”Safsten 说。“例如，如果我们想要开发像细胞一样以有效方式移动的纳米机器人，我们需要精确了解细胞运动，以便模拟我们的人工系统，因为大自然已经塑造了细胞。”

该团队的研究结果最近发表在《物理评论 E 》杂志上。

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