麻省理工學(xué)院:細(xì)胞力學(xué)如何影響一切
郭明尋求細(xì)胞物理形式與其生物學(xué)功能之間的聯(lián)系，這可以闡明阻止異常細(xì)胞生長(zhǎng)的方法。
在中國(guó)熱帶雨林的高處，郭明開始探索單個(gè)細(xì)胞的影響。
作為中國(guó)清華大學(xué)的學(xué)生，郭正在研究植物細(xì)胞的機(jī)械特性。作為碩士論文的一部分，他提出了一個(gè)有趣的問題：細(xì)胞的物理完整性——它的大小、形狀、柔軟度或剛度——是否與一棵樹的長(zhǎng)高有關(guān)？
為了尋找答案，郭走訪了云南省各地的森林，從的樹上收集葉子，有些樹高200英尺——太高了，郭自己無法爬上去。因此，他得到了大學(xué)攀巖俱樂部一名學(xué)生的幫助，該學(xué)生攀登樹木并沿其長(zhǎng)度在不同高度取回樹葉。
在分析了每片葉子內(nèi)的單個(gè)植物細(xì)胞后，郭觀察到了一種模式：葉子越高，細(xì)胞越小。而且，更有趣的是，單個(gè)細(xì)胞的大小或多或少可以預(yù)測(cè)一棵樹可以長(zhǎng)多高。
這項(xiàng)早期的樹細(xì)胞工作在郭的腦海中清楚地表明了一件事：細(xì)胞的物理形式可以在整個(gè)生物體的發(fā)育中發(fā)揮作用。這一認(rèn)識(shí)促使他研究植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞力學(xué)，看看細(xì)胞的物理特性可以揭示細(xì)胞、組織、器官和整個(gè)生物體的生長(zhǎng)方式。
“人們?cè)谏飳W(xué)和生物化學(xué)的背景下研究細(xì)胞，但細(xì)胞也只是你可以觸摸和感覺到的物理對(duì)象，”郭說?！熬拖裎覀兘ㄔ旆课菀粯樱覀兪褂貌煌牟牧蟻砭哂胁煌奶匦?。在形成組織和器官時(shí)，類似的規(guī)則必須適用于細(xì)胞。但實(shí)際上，人們對(duì)這個(gè)過程知之甚少。
他在細(xì)胞力學(xué)方面的工作使他進(jìn)入麻省理工學(xué)院，在那里他近獲得了終身教職，并且是機(jī)械工程系的'54級(jí)職業(yè)發(fā)展副教授。
在麻省理工學(xué)院，郭和他的學(xué)生正在開發(fā)工具，以仔細(xì)戳戳和刺激細(xì)胞，并觀察它們的物理形式如何影響組織，生物體或癌癥等疾病的生長(zhǎng)。他的研究在多個(gè)領(lǐng)域架起了橋梁，包括細(xì)胞生物學(xué)、物理學(xué)和機(jī)械工程，他正在努力應(yīng)用細(xì)胞力學(xué)的見解來設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的材料，例如阻止患病和癌細(xì)胞生長(zhǎng)和擴(kuò)散的療法。
“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，麻省理工學(xué)院是一個(gè)完美的地方，”郭說?！斑@是跨學(xué)科的，總是非常鼓舞人心，通過與領(lǐng)域外的不同人互動(dòng)，你會(huì)得到更多的想法。更有可能的是，你可以挖出一些有用的東西。
物理對(duì)象的本質(zhì)
郭在石家莊長(zhǎng)大，這個(gè)城市距離北京只有兩個(gè)小時(shí)的火車車程。他的父母都是工程師——他的父親在當(dāng)?shù)毓S工作，他的母親在一所職業(yè)學(xué)校建立了交通系統(tǒng)的教學(xué)模型。他的父母努力工作，像大多數(shù)工廠家庭一樣，他們沒有放學(xué)時(shí)照顧孩子的。
“在夏天，他們必須去上班，他們只會(huì)把我鎖在家里。我會(huì)把鑰匙扔到外面給別人開門，這樣我就可以和他們一起玩了，“郭回憶道。
他和他的朋友們會(huì)前往工廠附近的一棟住宅樓，整天爬山。
“我喜歡爬上矮小的建筑物和塔樓，看看它們的結(jié)構(gòu)，”郭回憶道?！斑€有一條小河，我們?cè)噲D在那里捕魚。大多數(shù)家庭在年底沒有多少積蓄，也沒有在教育上花太多精力。但我記得小時(shí)候玩得很開心。
學(xué)校和科學(xué)在高中時(shí)更加成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，當(dāng)時(shí)郭有機(jī)會(huì)拜訪一位在清華大學(xué)就讀的表弟。他記得自己特別被表弟書架上的一本關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)的教科書所吸引。短暫的逗留激發(fā)了他申請(qǐng)這所大學(xué)——該國(guó)排名前兩位的學(xué)校之一。一旦被錄取，他就前往清華大學(xué)攻讀機(jī)械學(xué)位。
在短暫地涉足流體力學(xué)以及一個(gè)涉及人工血泵模擬的項(xiàng)目之后，郭決定轉(zhuǎn)向細(xì)胞力學(xué)，特別是植物細(xì)胞。受到顧問的啟發(fā)，他開始研究植物細(xì)胞的機(jī)械完整性如何影響樹木的生長(zhǎng)高度。該項(xiàng)目發(fā)展成為碩士論文，郭文貴留在清華大學(xué)攻讀碩士。
“當(dāng)我研究植物時(shí)，我意識(shí)到動(dòng)物細(xì)胞也非常有趣，”郭說?！安煌牧系男再|(zhì)，尤其是生物材料，以及如何將它們簡(jiǎn)單地理解為物理對(duì)象，這讓我著迷。
“深遠(yuǎn)的影響”
當(dāng)他結(jié)束對(duì)樹細(xì)胞的工作時(shí)，郭閱讀了動(dòng)物細(xì)胞研究，并被哈佛大學(xué)物理學(xué)家大衛(wèi)·韋茨（David Weitz）的工作所吸引，他專門研究軟物質(zhì)，包括活細(xì)胞的機(jī)械特性。Weitz的工作促使郭申請(qǐng)哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)研究生課程。
2007年，他來到劍橋校園——這是他次走出中國(guó)——在一片陌生的新環(huán)境中感到迷茫。
“我把一半的行李箱裝滿了拉面，周我只是吃拉面，因?yàn)槲也恢涝谀睦锍?，”郭回憶道?！拔业囊恍┱n程也聽不懂任何東西，因?yàn)槲以谥袊?guó)學(xué)到的英語類型并不是人們?cè)谶@里實(shí)際說話的方式。
一段時(shí)間后，郭找到了自己的立足點(diǎn)，并在Weitz的實(shí)驗(yàn)室投入工作，在那里他將博士論文集中在理解“非平衡行為”或單個(gè)細(xì)胞中的物理運(yùn)動(dòng)上，并研究產(chǎn)生這種運(yùn)動(dòng)的能量來自哪里。
“這項(xiàng)工作真的改變了我的方向，”郭說?！拔抑牢蚁胱鍪裁矗豪^續(xù)了解細(xì)胞力學(xué) - 在器官和組織等多細(xì)胞系統(tǒng)中 - 如何影響一切。
2015年，他搬到麻省理工學(xué)院，在那里他接受了機(jī)械工程系的初級(jí)教師職位。在研究所，他圍繞開發(fā)新的工具和技術(shù)來更好地研究活細(xì)胞以及它們的物理和機(jī)械特性如何影響細(xì)胞的移動(dòng)、反應(yīng)、變形和功能，從而制定了自己的研究目標(biāo)。
“在過去的幾年里，我們已經(jīng)取得了一些重大的見解，如果你改變細(xì)胞的機(jī)械環(huán)境，如它們的剛度或含水量，這將對(duì)一些基本的生物化學(xué)產(chǎn)生重大影響，如轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)，這反過來又調(diào)節(jié)多細(xì)胞生長(zhǎng)，”郭說?！耙虼?，細(xì)胞力學(xué)可以對(duì)生物學(xué)產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。
除了他的研究，郭還喜歡教麻省理工學(xué)院的學(xué)生，近的一次是2.788（機(jī)械工程和生命系統(tǒng)設(shè)計(jì)），這門課挑戰(zhàn)學(xué)生應(yīng)用細(xì)胞力學(xué)來設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)和機(jī)器。在近的一堂課上，學(xué)生們一直在使用心肌細(xì)胞通過微流控芯片泵送液體。以前的課程放大了工廠內(nèi)部的固有電壓，為小輪子提供動(dòng)力。
“我有活力和快樂的時(shí)刻是與學(xué)生交談，”郭說?！八麄兘?jīng)常給我驚喜或新想法，我喜歡和期待。
近年來，郭的研究和教學(xué)已經(jīng)擴(kuò)大到不僅考慮單細(xì)胞的機(jī)制，還考慮多細(xì)胞系統(tǒng)——他認(rèn)為這一轉(zhuǎn)變歸功于女兒的到來。
“她出生于2016年，當(dāng)時(shí)我的整個(gè)團(tuán)隊(duì)都在研究單細(xì)胞，”郭說?！暗吹剿侨绾伟l(fā)展的，我覺得理解這么復(fù)雜的東西會(huì)更有趣。因此，我們也開始致力于探索組織和胚胎等更復(fù)雜系統(tǒng)的力學(xué)和機(jī)械生物學(xué)。
