首个用于活性材料的“编程语言”实现了细胞水平的精确控制

2019年，加州理工学院的研究人员展示了一种利用光控制活性物质的新方法，活性物质是一种由单个耗能部件组成的材料，它们作为一个整体产生机械运动。这个过程类似于有多少只鸟组成一个群体，似乎作为一个整体移动。在这项研究中，该团队专注于通常构成细胞骨架或“细胞骨架”的毫米级蛋白质丝形式的活性物质。

现在，在计算理论的启发下，该团队开发了第一种用于活性物质的“编程语言”，使研究人员能够在细胞水平的微小体积流体中进行精确操作。该方法在纳米技术和研究细胞相互作用方面具有重要应用

这项研究是计算生物学教授、传统医学研究所研究员Matt Thomson和Fred and Nancy Morris生物物理学、生物学和物理学教授Rob Phillips实验室之间的合作。这项工作发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中。博士后学者樊阳和研究生刘世晨是该研究的共同第一作者

细胞骨架或细胞骨架是微小蛋白质丝的变形网络，使细胞能够自我推进、携带货物和分裂。细胞骨架的“骨骼”是细长的管状细丝，称为微管，可以一起形成三维支架

每个微管都比人类头发细1000倍，只有大约10微米长（比普通的黑蚁小1000倍）。除了为运动提供动力的运动蛋白外，这些令人难以置信的小结构结合在一起，推动了相对较大的细胞——类似于蚂蚁驾驶汽车

汤姆森说：“活性物质一直是生物工程的一种潜在的新材料或资源，但到目前为止，还无法控制。”。“范利用理论和计算建模，利用线性叠加原理（仅适用于特定尺寸范围）开发了第一种用于活性物质的编程语言。范的理论见解推动了编程框架的发展。”

细胞簇的分离。来源：Thomson Lab

细胞自然地使用化学物质的梯度来诱导其微管骨架结构的变化。2019年，该团队改造了蛋白质微管，使其对光的梯度做出反应，这使得研究人员能够将特定模式的光照射到一团微管上，并诱导它们组织成特定的形状或模式。但该系统是不可编程的，因为该团队尚未发现如何设计光模式来产生流体流场，以完成移动细胞或混合流体等任务

在这项新工作中，杨开发了一种编程语言来设计可以移动、分类和组装细胞的活性物质流体流；混合化学品；并对细胞中的脂质囊泡等小物体施加机械应力。刘是一名实验人员，随后进行了实验室工作，以验证微管确实如预测的那样组装

这项工作对研究人员如何操纵细胞进行研究具有重大应用。通常，科学家需要使用针状的微量移液器来拉伸和分离单个细胞，这可能会对这些细胞造成损伤。利用活性物质，研究人员可以将光激活的微管添加到一团细胞中，并仅用光轻轻地将它们推到所需的位置

Thomson说：“我们受到了Erik Winfree在DNA计算和链置换反应编程方面的工作的启发。”。“现在，我们开始与Magdalena Zernicka-Goetz等人合作，在合成胚胎的构建过程中应用光控活性物质来控制细胞。我们还利用该系统操纵免疫细胞，并在实验室中对组织施加机械力以模拟机械应力。”Winfree是加州理工学院计算机科学、计算和神经系统以及生物工程教授；Zernicka Goetz是加州理工学院生物学和生物工程的Bren教授。

除了杨、刘、菲利普斯和汤姆森之外，加州理工大学的科学家Heun Jin Lee也是合著者 More information: Fan Yang et al, Dynamic flow control through active matter programming language, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-024-02090-w

Journal information: Nature Materials