人类脊柱发育的起源
在实验室里，科学家们展示了细胞结构是如何形成的，这些结构产生了我们的脊椎。
是啊，史密茨。蓝色是核标记(DAPI)，红色是顶部标记(ZO-1)。来源：惠比寿谷集团/EMBL
脊椎是所有脊椎动物骨骼的中心支撑结构。脊柱由33根人体脊柱组成，为肌肉提供附着的地方，同时也保护脊髓和神经根。
现在，分子生物学家首次在体外创建了一个3D模型。该模型模拟了人类胚胎发育过程中脊椎的前体结构是如何形成的，这一过程称为细胞形成。他们的新研究已经发表在《自然通讯》。
人类的脊椎是由一对叫做斯密特的前驱结构组成的，它们形成了——个细胞的重复片段，也产生了我们的肋骨和骨骼肌。它们的发育受到严格的调控，以确保这些结构的正确形成。
每对母亲都是在胚胎发育的特定连续时间点形成的；这个过程在受精后20天左右开始。
这个过程被称为溶血，由分裂时钟控制，分裂时钟是一组产生分子振荡波的基因，在人类中每5-6小时达到活性峰值。每一波都会产生新的一对；总共形成了大约40对。
西班牙巴塞罗纳欧洲分子生物学实验室(EMBL)的博士后研究员Marina Sanaki-Matsumiya说：“这是我们第一次能够创造出一个定期连接到实验室分裂时钟的成熟人类母亲”。
该团队培养了人类诱导多能干细胞(hiPSC)，它可以分化成人体的任何细胞类型，并且存在诱导细胞分化的信号分子混合物。
三天后，当细胞开始伸长并产生前(上)轴和后(下)轴时，他们向混合物中加入Matrigel。Matrigel含有对许多发育过程必不可少的蛋白质组合。
这最终导致了猿类的形成，——相当于人类体外体节的前体结构。
为了测试分裂时钟是否调节这些肌肉细胞的细胞生产，研究人员监测了参与这一过程的核心基因HES7的表达模式。他们发现了明确的证据，表明该基因在振荡周期中表达，特别是在细胞生成即将开始的时候。
这项研究还显示了螨虫的大小和分裂时钟之间的关系。
不管最初的肌样体使用多少细胞，产生的体大小是恒定的。“尽管细胞的初始数量增加了，但斯密特的大小并没有增加。
“这表明这些物种具有优选的物种特异性大小，这可能是由细胞相互作用、时钟分裂或其他机制决定的”。
为了进一步研究这一点，研究人员现在正计划种植不同种类的猿并进行比较。
EMBL的合成发育生物学家Miki Ebisuya说：“我们的下一个项目将专注于从不同物种创造猿类，并测量它们的细胞增殖和细胞迁移速度，以确定细胞产量和物种之间的差异”。
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文|学术头条，作者|朱哼哼，编辑|王哈哈
对于工业领域，尤其是汽车和航空航天制造业来说，需要寻找轻量化和高强度的材料。这些新材料可以在保证强度的同时提高能效。然而，在长期的工业实践中，轻质高强材料的研发极其缓慢。毕竟，强度较高的材料往往密度更大，重量更重。
近日，美国弗吉尼亚理工大学机械工程学院助理教授李凌博士带领研究团队，为新型轻质高强陶瓷复合材料的研发指明了方向。
凌博士的研究团队通过研究广泛分布于印度太平洋地区的多节海星骨骼样本，首次发现海星的骨骼全部由单一微晶晶格结构组成。这种微晶结构非常均匀，可以用数学公式描述，由节点连接的树枝组成，类似埃菲尔铁塔的结构。更有趣的是，他们还发现微晶晶格结构的均匀性本质上是原子水平的单晶结构。
对此，李博士表示，“这种独特的材料就像是由方解石单晶雕刻而成的晶格。这种近乎完美的微晶晶格结构此前从未在自然界报道过，也未被合成。大多数高度规则的晶格材料都是由材料与小晶体结合形成复合材料，这种全新的微晶晶格结构整体生长。”
图|科学封面(来源：科学)
这项名为“多节海星(protoreaster nodosus)中的损伤容限、双尺度、单晶微晶格”的研究发表在最新一期《科学》杂志的封面上。
众所周知，密度高的材料往往具有更大的强度和相应的重量。举个简单的例子，与空心铁球相比，实心铁球的强度明显更高。因此，长期以来，业界在设计新型轻质高强材料时，很难做到质量与强度的平衡。
相比之下，经过数百万年的进化，大自然针对这一问题提出了一个巧妙的解决方案，那就是多孔材料，通过内部孔隙的引入，生产出极其轻质和高强度的材料。例如，我们的骨头、植物的根和蜂巢等。
图|蜂巢(来源：Pixabay)
如果把这些材料放在显微镜下，我们会发现它们充满了微小的缝隙和复杂的几何结构。正是这些复杂的毛孔让我们能够轻快地行走和奔跑，承受高强度的冲击。
因此，长期以来，许多材料工作者试图从大自然中汲取灵感，开辟新的多孔材料，尤其是新的多孔陶瓷材料。
与金属和高分子材料相比，陶瓷具有良好的力学性能、热学性能和电化学性能，能更好地承受高温和腐蚀环境。但其脆性往往使其容易被破坏，极大地限制了陶瓷材料的广泛应用。
此前，李博士的团队已经发现，乌贼骨独特的多孔生物陶瓷结构具有坚固和抗断裂的特性，可用于浮力控制。这个项目和其他类似的研究激发了李博士在微观尺度上研究多孔结构在自然界中的应用。
在这项工作中，李博士和他的团队着眼于海星的骨骼。以前我们经常在电视上看到海星以各种慵懒的姿势平躺着，所以很多人的第一印象就是海星是一种非常柔软的动物。
然而实际上，作为棘皮动物，海星有一个由中胚层形成的内骨骼，各种形态的小骨块由结缔组织连接成一个整体。虽然重量很轻，但是非常结实，像防弹衣一样坚韧。
显然，海星骨的高强度和高韧性是一种理想的材料，揭示其原理有助于制造出更坚固耐用的多孔陶瓷材料。
正因如此，李博士带领研究团队在纳米尺度表征与制造实验室对这些海星骨骼样本进行了观察。结果表明，海星骨骼的晶格结构在微观尺度上非常规则，这与之前墨鱼骨和海胆棘的多孔结构完全不同。相反，这是在无脊椎动物骨骼中发现的最规则的结构，与现代人类建筑项目中常用的空间框架结构非常相似。
(来源：弗吉尼亚理工大学)
后来，研究人员开始探索这种天然晶格材料如何具有如此高的机械强度。毕竟海星骨骼和白垩的主要成分都是方解石，显然白垩的强度要比海星低很多。
然而，研究结果远远超出了李博士的预期。他们发现，海星体内的每个小骨块都是由单个微晶晶格结构组成的，这种结构非常均匀，通过节点将所有分支连接起来，类似于埃菲尔铁塔的建筑结构。更有趣的是，研究小组发现，这种微晶晶格的均匀结构本质上是原子级别的单晶结构。
这种结构允许海星有策略地在特定的方向加强骨骼，提供增强的保护。此外，这种动物似乎能够沿着选定的方向和特定区域加厚触角，从而提高其机械性能。与人体相似，多孔骨的局部几何形状可以改变，以适应身体活动。
对此，生物矿化专家、弗吉尼亚理工大学特聘教授Patricia Dove表示，“生活在高度掠夺性海底环境中的海星和其他棘皮动物正在揭示一个新的物质世界。只有海水和一些有机成分，生物界才能引导非凡骨骼的形成。这项工作对机械工程中新材料的设计具有重要意义。”
据悉，目前，李博士和他的合作者正在尝试使用3D打印技术来建模和生成这些复杂的晶格结构。虽然李团队创造的3D打印模型在视觉上可以与之媲美，但要将这种全新而强大的陶瓷建筑推向市场还需要一段时间。
图|李博士展示海星骨骼和3D打印模型(来源：弗吉尼亚理工大学亚历克斯帕里什)
目前，虽然3D打印机可以制造微结构，但在打印的陶瓷产品的最终烧制过程中，可能会引入许多不受控制的微孔和裂纹。这些细微的变化会破坏它的机械性能，变得非常脆弱。未来，随着3D打印技术的进步和对海星骨骼生物结构形成机制的理解，可能会提供新的解决方案。
总的来说，这项研究从纳米层面上揭示了海星高强度骨骼的秘密，为未来开发更强、更轻的多孔陶瓷材料指明了方向。对此，李博士表示，“自然界可以在常温和环境压力下组装出这种复杂的生物结构，而人类现代技术目前还无法实现。”