生物通综合：

由DNA聚合能驱动的分子马达

生物通报道：来自美国加州理工学院的研究人员发明出一种能自主运转的分子马达，它通过DNA聚合释放的自由能驱动。研究人员的灵感来源于多种细菌病原，例如立克次氏体通过宿主细胞聚合蛋白质“彗尾”释放的能量驱动自己。研究小组通过将亚稳态的发夹DNA聚合成双链DNA实现对细菌的模拟。这项研究的结果发表在新一期的《自然·纳米技术》杂志上。

　　和之前的其它合成分子马达相比，新马达通过非共价相互作用驱动，且能在没有底物的溶液中自由运转。作者之一NilesPierce说：“驱动的运动通过杂交链反应（HCR）实现，亚稳态发夹DNA和遇到的目标分子聚合。值得注意的是，在聚合物和发夹DNA发生连续相互作用时，被驱动的DNA相比不断生长的聚合物保持稳定。”

　　新研究证实了DNA聚合能为分子自主运动提供能量。来自NSF分子控制中心的科学家正在发展能对周围环境作出反应的逻辑分子。未来这些分子马达将可能用于医学、基础研究和制造业等。”

另外，在去年，宾夕法尼亚大学医学院肌肉研究所Yale Goldman博士的实验室和Erika Holzbaur实验室的研究人员发表了一组论文，这些论文综合起来证实了一种充当分子马达的蛋白质惊人地灵巧，并能在细胞内轻巧地越过障碍物。这些观察结果将有助于更好地治疗运动神经元疾病。

利用一种能够一次观察一个大分子的活动的特殊显微镜，研究组发现一种蛋白质马达能够沿着微管来回移动，而不是想之前推测的那样朝一个方向运动。他们将这些发现公布在近期的Nature Cell Biology杂志上。这两种运动蛋白dynein和dynactin是细胞的长途货车，它们能够合作从细胞外围将分子货物运送到细胞核。

Holzbaur实验室主要分析这个dynein-dynactin马达的分子和遗传学方面，而Yale的实验室则钻研这个马达本身的运作机制。他们在实验室中分别构建了这个系统和微管，以了解这种马达在活体细胞中如何工作。由于微管中塞满了蛋白质等分子，因此这个马达必须能够绕过这些障碍物才能前进。Goldman和Holzbaur推测，dynein-dynactin马达在微管中进行双向运动的能力使它能有效完成长途运输任务。

此前，Holzbaur在Journal of Cell Biology杂志发表的文章公布说他们发现dynactin的一种突变能导致运动神经元的降解——运动神经元疾病的标志。这种突变使dynein-dynactin马达在细胞中运送“废物”的效率降低，并造成细胞中错误折叠的蛋白质的累积，从而导致神经元退化的发生。

研究人员现在已经发现其他一些分子马达的行动也很灵活。在之后刊登在PNAS（美国科学院院刊）和EMBO Journal上的几片论文中，Goldman和同事发现一种局部传送马达，并命名为myosin，它能以一种多变的途径沿着另外一种细胞轨道actin进行短途运输。这种灵活性可以帮助myosin V通过细胞的拥挤区域。Myosin V功能的缺陷还能导致神经缺陷。

由于大多数马达斗鱼特定的疾病和缺陷有关，因此了解他们详细的行为过程是寻找替代缺陷马达方法必须的。研究组的最终目的是找到治疗运动神经元疾病以及其他与分子马达有关的疾病。

氧化铁纳米颗粒具有类似过氧化物酶的催化活性

来自中科院生物物理研究所的研究人员发现氧化铁纳米颗粒具有类似过氧化物酶的催化活性，这一发现不仅为惰性金属材料在纳米尺度具有催化活性的学说提供了新的论据，而且拓展了磁性纳米颗粒的应用。这一研究成果公布在《自然—纳米技术》杂志上。

据评论文章介绍，在纳米医学研究中，氧化铁纳米颗粒作为一种理想材料，可用于疾病诊断、控制药物释放和体内分子成像。氧化铁纳米颗粒通常用于分离和纯化蛋白质、DNA、病毒和细胞。这主要利用氧化铁纳米颗粒的磁性，如果将其表面连接抗体—— 一种能够特异识别生物分子的蛋白质，它便具有靶向识别和磁性分离的双重功能。在医学应用中，传统的检测方法是将纳米颗粒的磁分离作用与酶标记的抗体免疫反应结合起来，后者通过酶催化底物显色显示生物分子的存在并进行定量。

阎锡蕴研究员长期从事肿瘤抗体研究，近年来主持着国家“863”计划“肿瘤抗体药物”课题、国家自然科学基金及中科院方向性研究项目，并参与国家“973”纳米生物学研究项目。她说：“这一发现是典型的学科交叉产物，是免疫学、生物化学和材料学共同合作研究的结果。这一发现在意料之外，但在情理之中。”

据阎锡蕴介绍，她的研究小组最初的试验设计是为了寻找肿瘤细胞新靶标，在磁性纳米颗粒上连接了他们已获得发明专利的“抗体”，希望研制一种新的具有识别抗原和磁性分离双重功能的免疫纳米颗粒，用于肿瘤的诊断和治疗。然而，在鉴定抗体分子是否连接氧化铁纳米颗粒时，研究人员遇到了不能排除的本底噪音。在用尽各种方法排查之后，他们没有得到预期的结果。研究小组由此推测，磁性纳米颗粒可能具有另外一种尚未被发现和证明的性质，这种性质很可能是过氧化物酶的催化活性。

为了证明这一推断，阎锡蕴研究小组从不同纳米材料研究机构取样，并对不同大小尺寸的氧化铁纳米颗粒材料分别进行研究，试验最终证实了研究小组的推测是正确的。随后，研究小组又利用纳米颗粒模拟酶的这一新特性，设计了多种免疫检测方法，实现了对乙肝病毒表面抗原和肌钙蛋白的检测。并将其与具有蛋白质性质的辣根过氧化物酶进行比较，发现这种纳米颗粒模拟酶具有制备简单、经济、耐高温和耐酸碱等诸多优势。在此基础上，他们研制了多种新型免疫检测模型，拓展了氧化铁纳米颗粒在其他方面的新用途。例如，污水处理和酸雨检测。

阎锡蕴说，由于国家、中科院和中科院生物物理所对于纳米生物学和纳米医学等交叉学科的重视，使她这样从事肿瘤抗体研究的学者有机会参与纳米科学的研究，有机会与物理、化学等领域的专家合作，从而促使她关注纳米材料和纳米技术与生物学的结合点，并有了这项成果。她说，研究人员对研究中出现的看似偶然和不可能的现象，不能轻易放弃，特别是实验结果与预期相左时更应如此。只有进行认真分析，才可能会有意外的发现。这便是科学探索的本质。

干细胞新发现

生物通报道：众所周知，如果运动员的腱（筋）受损往往意味着他们运动生涯的终结。但是，由南加州大学牙科学院的华裔学者施颂涛（Songtao Shi，音译）领导的一个研究组在成熟的腱中确定出一类特殊的细胞，这些细胞具有干细胞的特质，能够增殖和自我更新。该研究组还分离出了这些细胞并且在动物模型中再生出了类似腱的组织。他们的发现对治疗腱损伤表现出巨大的潜力。这项研究的结果将会发表在10月的《自然·医学》杂志上，目前已经可以在自然杂志的网站上看到。

腱，连接骨骼和肌肉的特殊韧带组织，主要是由强韧的胶原质纤维构成。腱损伤是一种很常见的临床问题，因为腱组织损伤复原很慢，并且很少能完全恢复到正常、未损伤腱的状态。

在这项研究之前，人们对腱的分子组成和前体都几无所知。通过在分子水平上研究腱，该研究组在小鼠和成人中鉴定出一种特殊的细胞群——腱干细胞/前体细胞（TSPC）。

施教授来自USC的颅面分子生物学中心，在干细胞增殖研究方面发表了多篇研究论文。他还是之前成功创造出牙根和支持牙周韧带以恢复动物模型的牙齿功能的研究组的一个成员。

在8月的《干细胞》杂志上，美国南加州大学颅面分子生物学研究中心的研究人员施颂涛（Songtao Shi,音译）和来自韩国、中国的牙科专家在干细胞再生骨骼和皮肤组织的研究领域有了新的突破。

 他们发现，间充质干细胞（MSCs）能够再生老鼠和猪面部的骨骼和皮肤组织。研究人员在文章中预测说，间充质干细胞将会变成整形外科医生的利器，用于修复严重的面部毁容乃至祛除皱纹。

 在这项研究中，他们使用了两种来源的间充质干细胞。其中一种来自于人体骨髓。施博士和同事先将这些间充质干细胞移植到实验动物的前额中。8周后，小鼠前额明显扩展。分析结果显示，形成的新组织很健康并且完全能同现存的骨骼融合。更令人吃惊的是：新的骨骼组织能够达到自动动态平衡状态——自动动态平衡是生产血红球和白血球的过程。这一点非常重要，因为这意味着并仅仅是植入，而且使身体组织及其机能得到扩展。这些植入细胞有能力同身体内的细胞协调工作。

     研究中使用的另外一种间充质干细胞是从牙周韧带中提取的。研究人员用这些干细胞给老鼠面部除皱。试验结果表明，牙周韧带的间充质干细胞能通过产生新的胶原纤维而消除皱纹。

     施博士认为不同的干细胞来源会有不同的作用。目前，他和同事计划研究动物自身组织的自体干细胞的潜能，以改进临床效果。

另外，美国莱斯大学的生物医学工程师发明了一项能够利用人类干细胞生长出软骨的新技术。这种方法能够用于培养膝盖、下巴、臀部和其他关节的软骨替换。

由于自然的软骨组织是不能够自我痊愈的，所以研究人员长期以来都在寻找培养替代的软骨的方法。培养的这种软骨可用于修复软骨损伤。这项研究为利用胚胎干细胞制造类软骨细胞提供了一种新颖的方法，并且还是首个能利用这种细胞加工软骨组织的方法。这项研究的结果刊登在9月的《Stem Cells》杂志上。这样研究使用了美国NIH审核批准的干细胞系。

利用一系列的刺激物，研究人员开放出一种将干细胞转化成软骨细胞的方法。在这项工作的基础上，研究人员又发明了一种利用这些软骨细胞构建软骨组织的步骤。这些结果证实，软骨能够被培养。

生物通报道：美国亚利桑那州立大学的人类学家George Perry领导的研究小组发现，唾液淀粉酶（salivary amylase）有可能通过帮助人类祖先从淀粉中获取更多的能量而促进了人类的进化。这项研究的相关论文发表在9月9日的《自然·遗传学》的网络版上。这项研究表明人类携带额外的淀粉唾液酶基因拷贝。这一发现为研究人类对于周边环境的适应、遗传变异与人类进化的关系提供了线索。

淀粉是现代人类重要的食物来源之一，但是如果人类唾液中缺乏淀粉酶的话，将不能有效利用这种复杂的碳水化合物，因为身体其它地方含有的酶，并不能像唾液淀粉酶这样有效分解淀粉。唾液淀粉酶是唾液中含有的一种有催化活性的蛋白质，可以催化淀粉水解为麦芽糖。唾液淀粉酶发挥作用的最适pH 在中性范围内，唾液中的氯和硫氰酸盐对此酶有激活作用。食物进入胃后，唾液淀粉酶还可继续使用一段时间，直至胃内容物变为pH约为4.5的酸性反应为止。

这项研究发现，人类比其他猿类亲戚具有更多的淀粉唾液酶基因拷贝，并且利用这些拷贝使嘴巴里充满了唾液酶。这项发现这样一个观点，即淀粉是早期人类食物的主要组成成分，并且自然选择偏爱能制造更多消化淀粉的蛋白质的个体。

其他的灵长类动物主要以含有较少量淀粉的水果作为食物。而补充富含淀粉的食物的新能力可能营养了我们的大脑，并开发出了新的食物供应来源。

研究组对拥有不同数量淀粉酶基因的人展开了研究。他们测量了这些人唾液中的淀粉酶含量，通过分析得出结论认为，这些多余副本能制造更多的淀粉酶，分解淀粉的能力也随之增强。

研究人员随后扩大了实验范围，分别从非洲、亚洲、欧洲和北极采集了人类唾液样本，研究发现，食物中淀粉含量高的族群，比如坦桑尼亚的Hadza，往往拥有较多的淀粉酶基因，平均为6.7个副本；而食物中淀粉含量少的族群，如中非的Mbuti，所拥有的淀粉酶基因也较少，平均为5.4个副本。另外，主要以水果为食的黑猩猩，所拥有的唾液淀粉酶基因只有两个副本。

通过比较人类和黑猩猩的基因组，Dominy认为，人类唾液淀粉酶基因的增加是从几十万年前开始的，而这与农业的出现时间（大约15万年前）相吻合。他推测，这种基因的增加促使人类脑容量增大，促进了智力的发展。不过他同时表示，还需要从不同文化的族群采集更完整的基因组序列，以确定淀粉酶基因增加的确切时间。

这些新发现是证实淀粉在人类进化过程中重要性的一个分界线。当早期人类掌握了火时，烹调淀粉蔬菜可能使摄食更加容易。

《自然—化学生物学》

给酶加一点糖

经过基因工程的改造，酶能够用更多种类的糖基来修饰小分子，这是研究人员在10月号的《自然—化学生物学》期刊上报告的。

自然界的小分子是许多天然药物的基础，而许多天然小分子的活性会因附加其上的糖分子而改变。因此，如何改变糖分子是新药发现的关键所在。

但是，糖分子的改变需要糖基转移酶的参与，而糖基转移酶只与极少数的糖和小分子相互作用，因此，糖分子的改变过程实际上困难重重。

酶的体外定向进化是改造生物催化剂的一种有效的新策略,主要是模拟自然进化进程，在一种酶的特定位置引入随机变异，再经由DNA改组、交错延伸过程、随机引导重组等进行突变基因的体外重组，最终经筛选获得所需活性的酶。利用这种定向进化技术，Jon Thorson和同事对糖基转移酶进行了基因工程改造，让它能够将更多种类的糖基引入多种有重要治疗价值的小分子中。这种“变异”酶可用于新治疗方法的发现。

《自然—神经科学》

政治头脑

研究人员在9月在线出版的《自然—神经科学》期刊上报告说，心胸开阔、富有远见的人对需要改变习惯的信号更为敏感。

新研究表明，自我评估为自由主义者的人有一种特殊的大脑活动，这种活动涉及到对习惯性倾向和可选择性反应间的冲突的调控。以前的心理学研究发现，从平均水平上看，保守派倾向于坚持自己的判断和决定，而自由主义者对新经历持更为开放的态度。这些不同的心理反应与大脑处理冲突反应的过程相关，冲突管理是大脑负责监督习惯性反应不适应新环境的一种机制。

David Amodio和同事将受试人群分为两组，一组自认为是保守派，一组自认为是自由派。利用脑电图，他们记录了这两组人群的大脑活动。记录过程中，当受试者看见一个频繁出现的线索时，他们会迅速地按下按纽，以至于这种按纽行为成为一种习惯。然而，当受试者偶然看见出现的线索时，这个线索会抑制着他们按下按纽的习惯。当需要出现抑制性的反应时，自由派的大脑前扣带回皮层中有更活跃的神经细胞活动，大脑的这一区域与冲突处理有关。

当自由派看见不太频繁出现的线索时，他们会遏制着自己习惯性的反应。新研究支持了以前的猜想：政治的倾向性部分反映了认知机制的差异性。

《自然—免疫学》

干细胞有神经冲动

研究人员在9月在线出版的《自然—免疫学》期刊上报告：血液干细胞在神经细胞信号的作用下会被激活。

Tsvee Lapidot和同事在实验中发现，骨髓干细胞表达出了多巴胺受体。在压力状态下释放的神经传递素能诱发血细胞分化，并从保护它们的骨髓环境中迁移出来。用多巴胺或其他神经传递素对小鼠进行治疗，会导致小鼠骨髓和血液循环中的干细胞数量的增加。同样地，刺激人体骨髓细胞中的神经传递素也能增加它们移植到“人源化鼠”中的可能性，这种“人源化鼠”的免疫系统用人体细胞进行了重组。

对于需要骨髓移植的治疗来说，新发现可用于提高治疗效率的研究。