海洋环节动物Platynereis dumerilii的幼虫，扫描电子显微镜照片(尺寸尺度:100µm)。来源:维也纳科技大学Luis Zelaya-Lainez
深入了解这一自然形成过程为技术进步提供了新的可能性。
维也纳大学Max Perutz实验室的分子生物学家Florian Raible领导的一项新跨学科研究为海洋环节动物蠕虫Platynereis dumerilii的鬃毛提供了激动人心的见解。被称为成毛细胞的特化细胞负责控制刷毛的形成，其操作方式与技术3D打印机非常相似。该项目由赫尔辛基大学、维也纳理工大学和布尔诺马萨里克大学的研究人员共同完成，研究成果最近发表在著名的《自然通讯》杂志上。
自然界的3D打印机:猪鬃蠕虫逐步形成鬃毛
几丁质是昆虫外骨骼和鬃毛蠕虫（如海洋环节蠕虫Platynereis dumerilii）鬃毛的主要构建材料。然而，猪鬃蠕虫具有一种更柔软的几丁质，称为β几丁质，这在生物医学应用中尤为引人注目。刷毛使蠕虫能够在水中移动。
迄今为止，甲壳素如何形成独特的刚毛仍然是一个谜。这项新研究为这种特殊的生物发生提供了令人兴奋的见解。
Florian Raible解释道：“这个过程从鬃毛的尖端开始，然后是中间部分，最后是鬃毛的底部。完成的部分逐渐远离身体。在这个开发过程中，重要的功能单元是一个接一个、一块接一块地创建的，这与3D打印非常相似。”
“生物”（左）与“技术”3D打印（右）的对比。来源:克劳迪娅·阿莫特，阿莫特工作室
海洋蠕虫刚毛的生物发生
更好地理解这些过程也有助于开发未来的医疗产品或生产自然可降解材料。例如，来自鱿鱼背壳的β-几丁质目前被用作生产耐受性特别好的伤口敷料的原料。“也许在未来，环节动物细胞也能用于生产这种材料，”雷布尔说。
海洋环节动物的刚毛不同部分的3D重建，基于1000多张电子显微照片。叶片（左）、叶片带接头（中）、轴（右）。来源:Ilya Belevich，赫尔辛基大学
成毛细胞在几丁质形成中的作用
确切的生物学背景是：所谓的成毛细胞在这个过程中起着核心作用。成毛细胞是具有长表面结构的特化细胞，即微绒毛。这些微绒毛含有一种特殊的酶，研究人员证明这种酶负责几丁质的形成，而几丁质是最终形成鬃毛的材料。研究结果显示了一个以几何排列的微绒毛为特征的动态细胞表面。
单个微绒毛的功能类似于3D打印机的喷嘴。Florian Raible解释说：“我们的分析表明，几丁质是由成毛细胞的单个微绒毛产生的。因此，随着时间的推移，这些微绒毛的数量和形状的精确变化是塑造单个刚毛几何结构的关键，例如刚毛尖端的单个牙齿，精确到亚微米范围。”刚毛通常在两天内发育，形状各异；根据蠕虫的发育阶段，它们可能短或长，尖或平。
第一作者Kyojiro Ikeda和研究负责人Florian Raible（从左到右）。资料来源:Max Perutz实验室
猪鬃成像技术的进展
除了与维也纳科技大学和布尔诺大学成像专家的本地合作外，与赫尔辛基大学Jokitalo实验室的合作也为维也纳大学的研究人员带来了巨大益处。利用他们在连续块面扫描电子显微镜（SBF-SEM）方面的专业知识，研究人员研究了微绒毛在猪鬃形成过程中的排列，并提出了猪鬃形成合成的3D模型。来自维也纳大学的第一作者Kyojiro Ikeda解释说：“标准的电子断层扫描非常劳动密集，因为样品的切割和在电子显微镜下的检查必须手动完成。然而，通过这种方法，我们可以可靠地自动分析数千层。”
Raible小组目前正致力于提高观察的分辨率，以揭示更多关于鬃毛生物发生的细节。
参考文献：“纳米尺度的动态微绒毛雕塑”，作者:Kyojiro N. Ikeda, Ilya Belevich, Luis Zelaya-Lainez, Lukas Orel, Josef f
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希望本篇文章《自然界的巧妙设计：蠕虫刷毛的3D打印机制》能对你有所帮助！
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