好逞能的粘菌,可解決紛繁複雜的事,並能畫出類似於東京地鐵係統的示意圖——現在,科學家們認為他們也可能用於治療癌症。德國和新加坡的生物物理學家們認為,根據粘菌行為建立的數學模型,可能導致研究出使腫瘤得不到血液供應的新方法。
多頭絨泡粘菌,通常發現生長在漸漸腐爛的木材內,粘菌細微的卷須從其構成網絡的邊緣,不斷向外延伸以找尋食物。一旦粘菌發現了食物,例如一塊正在腐爛的植物或一種微生物,它就在其上生長和分泌消化酶。然後,多頭絨泡粘菌在食物資源之間,構建一個相互連接的複雜網絡,使其在各處可往返運輸營養分。
現在在日本函館市未來大學的數學生物學家中垣俊之(Toshiyuki Nakagaki)和他的同事們,在2010年觀察了粘菌的這種網絡行為,可能怎樣轉化為城市規劃;他們在實驗室的包含東京周圍地區按比例縮小的模型中,用食物資源代表人口中心,把粘菌放在其中培養。他們發現,粘菌卷須產生的相互連接的網絡,與東京鐵路係統驚人地相似。
但這是粘菌的早期生長,甚至是在形成那些覓食的複雜網絡之前,它們可能抓住了腫瘤如何使自己獲得血液供應的線索。粘菌起初是一種若幹單個孢子的集落;當它們向外生長時,這些孢子會互相接觸,並融合成一些島嶼。這些島嶼生發出去的卷須,與其他島嶼的卷須相接觸;當它們接觸時,會再次的融合,最終形成一大群單細胞生物連接成的有機體係,此時,它們就能夠通過自身來輸送液體。對此,有一個數學術語:每一個各自分開的網點,均有自己的運輸係統,它們形成相互連接,足以使液體或一些其他物質自由地在它們之間移動,這被稱為“滲透過渡”。
德國不來梅大學和新加坡力學生物學研究所的阿德裏安·費塞爾(Adrian Fessel)、漢斯-根德爾·德伯雷內(Hans-Günther D bereiner)和同事們,構建了一個滲透過渡的數學模型,研究粘菌在實驗室中的生長方式。德伯雷內說,了解那些連接形式是怎樣的,以及什麼時候過渡出現可能會有實際的應用。腫瘤為了存活和生長,需要血液的供應;腫瘤在與健康組織的供血係統連接之前,許多高度擴散性腫瘤,可通過腫瘤幹細胞的生長、連接和融合構建一個全新的血管係統。他說,由於粘菌中的滲透過渡與其數學模型中的連接過程是相同的,所以,對二者來說應是等效的。
當粘菌的卷須彼此相對生長並聯合起來,研究人員可使用網絡圖(像地鐵地圖)追蹤卷須之間的連接。他們記錄了有多少自各個節點幅射出去形成的連接,得到了類似於若幹地鐵線上設立的特定車站那樣一幅“相互連接”的測量圖。科學家們8月16日在《物理評論快報》中寫道,發現了這種自多個粘菌島嶼向一個連接網絡的過渡——滲透過渡——當這些節點和線路進入一種特定和特有的模式時,總會發生。不管整體的節點多少,要緊的是它們中的多少確實地有3條線出現,多少有1條線出現,以及有多少節點仍保持完全的獨立。當這3個數量達到一個特定的比例時,滲透過渡一定會發生。
沒有參與現在這項研究的中垣說:“這個結果,是非常有意義和新穎。並且,使用一種滲透標準技術的分析,是清晰和出色的。
使腫瘤得不到血液供應,是治療癌症的一種重要方法,因此,德伯雷內希望研究人員洞察血管網絡的形成,可能有一天會研究出抑製向腫瘤供血血管的發育和阻止它們生長的方法。為了證明他們的模型對血管生長的適用性,研究人員表示他們可以複製其他研究人員的2003年實驗室研究結果,使用粘菌衍生的數學模型於血管網絡的生長。
雖然,複製2003年研究是一個很有意義的證明,他們的模型具有超越粘菌的適用性,德伯雷內指出,從數學的角度來看,這樣的證明是有點多餘的。他說,這兩種情況——粘菌生長和血管網絡的生長——在數學上是等效的,所以,為一個項目工作的模型,是可以為另一個項目所用的。“即使我們沒有用血管網絡做實驗……數學的方法決不會沒有用!”