工程师和神经科学家对四种触觉敏感电反应蛋白进行了测试

众所周知，您身体中的每个细胞都会对物理触摸做出反应。它们的反应并不完全相同——如果被针戳到，脾脏中的细胞不会像受惊的猫一样跳跃。但在整个人体中，包裹和支持细胞生长和日常任务的物理材料和结构在它们的健康和行为中起着重要作用。

例如，不可能让血管和神经等复杂的生物结构在培养皿中生长;他们需要外部结构的正确组合来支持。耳朵内的毛发将振动转化为发送到大脑的电信号，甚至对纳米级运动也很敏感。当你的胃充满时，肠道内的各种细胞会履行它们的消化职责。

尽管知道触觉和物理力量在生物过程的许多方面都起着重要作用，但人们对它是如何工作的知之甚少。不同的细胞具有不同的途径来感知和传输触摸产生的信号。在体外生长细胞，可以放置在某种能够测量这些输入和输出的实验装置中并不容易。

在16月<>日在线发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇论文中，杜克大学的机械工程师和神经生物学家缩小了这一知识差距。

利用原子力显微镜和电生理学，研究人员测量了四种蛋白质的功能上限和下限，这些蛋白质响应物理刺激发出电信号。结果显示了它们的能力的广泛性，为专门的触敏细胞如何能够像它们一样运作提出了新的问题。

“每个感官系统都受到检测信号必须克服的背景噪声量的限制。我们的眼睛可以感知非常接近这个极限的光能，使它们对单光子非常敏感，“Myrobalan Therapeutics的研究科学家Michael Young说，他在杜克大学担任博士生。“但即使细胞装载了这些蛋白质，我也需要加起来比该阈值多十亿倍的能量才能产生任何可检测的信号。实际上，这很令人惊讶。

Young研究的四种蛋白质是两个细胞家族的成员 - Piezo1和Piezo2，以及TREK1和TRAAK。Piezo2主要存在于感觉细胞中，例如皮肤中产生触敏信号的细胞，以便神经元携带到大脑，而它的近亲Piezo1在细胞中含量较低，有助于调节血压和细胞迁移等自动化生物过程。TREK1和TRAAK都主要存在于神经系统中，在帮助传递信号方面发挥着未知的作用，并且可以被触摸以外的许多不同类型的刺激激活。

为了测量这些细胞能力的边界，Young与杜克大学神经生物学教授Jörg Grandl合作，培养出充满其中一种蛋白质的细胞。然后，他去找了杜克大学机械工程和材料科学教授Stefan Zauscher，以找出如何最好地测量它们在被戳戳时的反应。

Zauscher为团队设置了原子力显微镜。凭借肉眼几乎看不见的悬臂梁，机器可以施加小至10微微吨的力 - 这种力比放在手背上的羽毛小10万倍。

对于每个充满蛋白质的细胞，Young测量了引发可检测信号所需的最小力，它可以产生的最大电活动量以及信号的一般行为。例如，它是短而强烈的还是长而温和的。

令人惊讶的是，Young发现他们的反应范围很大，尽管蛋白质相似。一些细胞几乎立即发出电响应，而另一些细胞的延迟时间则超过10倍。还有广泛的敏感性，引出了一个问题，即在这些蛋白质如何帮助调节身体的生化活动中，还有哪些其他因素可能发挥作用。

“我们只是用蛋白质加载这些细胞以确保我们得到反应，但它们在细胞上的特定位置可能对它们的工作方式更重要，或者它们的结构环境可能发挥重要作用，”Young说。“将这些结果与已经具有这些蛋白质的细胞进行比较会很有趣，因为它们可能已经进化到在正确的位置拥有正确数量的蛋白质来优化它们的反应。