在不到5毫秒的时间内，一种名为Spirostomum ambiguum的水生单细胞生物便能将身体收缩至原长的四分之一。这一速度比人类眨眼快数百倍，长期以来令生物物理学家困惑不已。如今，来自美国北卡罗来纳州立大学等机构的研究团队终于追踪到了这一惊人速度背后的分子机器——一个由钙离子激活、呈“渔网状”排列的非常规蛋白网络。该发现不仅解释了单细胞生物如何在没有肌肉纤维的情况下实现超高速运动，更为构建更快的人工肌肉和合成细胞机器提供了全新思路。

渔网状蛋白网络驱动极端速度

Spirostomum ambiguum是一种巨型单细胞纤毛虫，体表覆盖着用于游泳的纤毛。在纤毛虫家族中，它以约每秒100倍体长的收缩速度脱颖而出，并能几乎立即重复这一动作。这种速度可能帮助它逃避捕食者或与其他纤毛虫交流。人类肌肉纤维也能以类似比例缩短，但过程耗时约10倍。这一差异使Spirostomum成为研究生物系统如何在不依赖常规肌肉的情况下产生快速运动的理想模型。

为了揭示收缩背后的机器，研究人员利用电子显微镜和免疫荧光显微镜对Spirostomum进行了细致观察。结果显示，钙离子触发运动，而细胞内部一个独特的渔网状结构则负责产生收缩本身。与人类不同，Spirostomum等单细胞生物没有肌肉纤维，取而代之的是由钙结合蛋白centrin和Sfi1构成的纤维结构——肌丝。在Spirostomum中，这些肌丝在生物体外部形成一张渔网状的网。当收缩开始时，该网络迅速收紧，将细胞向内拉，随后又弹回原始构型。其几何结构使生物体能够均匀地缩短整个身体，而非不均匀地塌陷。

“渔网状几何结构之所以独特，是因为它让Spirostomum能够均匀收缩，从而在快速运动时保护其内部细胞器，”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学生物物理学副教授Mary Elting解释道。“其工作原理在于肌丝中的Sfi1蛋白可以从刚性转变为柔性。在钙离子存在下，Sfi1失去刚性并像一团湿面条一样聚集成球，导致渔网收紧，从而缩小生物体。”Sfi1改变物理状态的能力为网络如何能如此迅速地收缩提供了机械解释。与依赖人类肌肉相同的能量系统不同，Spirostomum直接对钙离子作出响应。

钙离子取代常规肌肉燃料

人类肌肉收缩依赖于三磷酸腺苷（ATP），这种分子在细胞内储存和释放能量。Spirostomum则使用一种根本不同的系统。“将我们的肌肉收缩方式与Spirostomum的工作方式进行比较，就像比较汽油与电力，”Elting说。“ATP经历化学变化并被‘燃烧掉’，就像汽油；而钙离子则像电流，尽管我们仍不知道是什么产生了启动电流的电压，也不知道它如何被‘重置’以便收缩能再次发生。”

这种重置机制仍是核心未解问题之一。钙触发的反应通常被认为只能工作一次，除非有某种机制恢复系统，然而Spirostomum却能高速反复收缩。研究人员目前正在调查是什么启动了钙信号，以及生物体如何在每次收缩后恢复系统。“我们预期钙触发的反应是‘一次性’的，但Spirostomum却能反复进行，”Elting说。“理解其运动的这些方面是构建快速、非ATP依赖的人工肌肉的关键。”

该研究得到了美国国家科学基金会（奖项编号1935260、2313722、2313724、1935262、1817334、2313727和2313725）以及美国国立卫生研究院NIGMS（奖项编号R35GM130327和R35GM142588）的支持。