細胞微管是由極性微管蛋白組裝而成的線性管狀聚合物，作為細胞骨架的重要組成部分廣泛存在於真核細胞中。由於隨機的聚合和解聚過程，微管長度在增長和快速縮短兩種狀態間頻繁切換，表現出强烈的動態不穩定性。這有利於微管在細胞內快速重構，從而積極參與細胞遷移、有絲分裂以及馬達輸運等眾多重要細胞功能。現有理論認為微管蛋白水解發生構型變化引發的本征彎曲導致微管開裂並快速縮短，而微管在未水解微管蛋白處止裂並重新生長。現時的微管動力學研究，理論上多採用簡化一維模型，數值上僅考慮靜態力學作用的三維粗粒化模型，而對微管三維彈性殼結構、生長端特徵複雜形貌、以及裂紋間相互作用等多種關鍵因素對生長動力學的影響缺乏認識。
近期，中國科學技術大學工程科學學院近代力學系梁海弋課題組和哈佛大學保爾森工程與應用科學學院Mahadevan課題組合作，提出一種同時考慮力學和動力學的新型微管粗粒化模型，並結合理論系統研究了微管的動態組裝過程，以嶄新的視角揭示了微管三維空間結構、蛋白生長動力學、以及無序的未水解蛋白對動態不穩定性的關鍵影響。相關研究成果以“Mechanics and kinetics of dynamic instability”為題發表於國際著名學術期刊《eLife》（eLife 2020；9:e54077，DOI:10.7554/eLife.54077）。
圖1考慮彈性力學作用和微管蛋白生長動力學的微管粗粒化模型
圖2微管的穩定性受雙向本征曲率及未水解蛋白分佈的影響
微管蛋白水解前後的構型變化是驅動微管發生開裂的主要原因。微管蛋白在水解前後的自然彎曲角度存在著差异，在力學上表現為不同的縱向本征曲率，同時微管蛋白共有的側向本征曲率保證了微管的圓筒狀結構。微管蛋白在兩個方向上的本征曲率共同導致了微管的結構在力學上具有雙穩定性。研究者通過建立基於粘附位點的三維粗粒化微管蛋白模型，成功再現了微管蛋白的拉伸、彎曲及雙向本征曲率等特性。進一步，通過理論分析和改變微管蛋白的本征曲率、分佈形式等幾何參數以及生長速率、水解速率等動力學參數，研究者們統計得到了微管的臨界開裂條件、不同條件下的開裂相圖、以及不同未水解蛋白分佈下的封锁開裂概率，完整地實現了對微管生長、開裂、停止開裂、再生長的全過程分析及類比。這一研究系統地闡述了微管動力學不穩定性的力學機制，為系統研究生物大分子聚合物的行為提供了有效的模型和分析手段。
附文章連結：https://doi.org/10.7554/eLife.54077