一張倒著畫的曲線圖，讓王記增和他的團隊走出了困擾細胞生物力學界幾十年的怪圈——為什麼用不同實驗方法測得的蛋白質微管等效彎曲剛度會相差幾個數量級？
蛋白質微管是構成細胞「骨架」的主要結構之一，而這一怪圈是細胞生物力學界幾十年都沒能啃下來的「硬骨頭」。
在近日出版的國際期刊《生物物理學期刊》上，蘭州大學王記增小組對這個問題交出了完美的答卷。
一場國際權威專家的爭論
事情還要從一場德國與美國生物力學界權威專家的爭論說起。
蠕蟲鏈模型是最成功的經典高分子物理模型之一。在該模型中，用來刻畫高分子彎曲剛度的重要特徵參數——持續長度，一直被認為是與聚合物分子長度無關的常數。
對於細胞中的微管，持續長度是否仍為常數，而不是隨其長度變化？為什麼用不同的實驗方法測量所得微管的持續長度會相差幾個數量級？
德國慕尼黑大學統計與生物物理部主席Erwin Frey教授的研究小組特意設計實驗，測量了不同長度微管的持續長度，並於2006年在美國《國家科學院院刊》上撰文發表了其實驗結果，他們認為微管的持續長度是依賴於其幾何長度的。
而另一派權威專家卻否認這一觀點。
美國密西根大學教授David Sept的小組和荷蘭阿姆斯特丹大學軟物質與生物物質物理學教授Fred MacKintosh的小組，聯合運用分子動力學仿真研究了微管的持續長度，並於2010年在《物理評論快報》上撰文指出，微管的持續長度是獨立於其幾何長度的，不同長度的微管均具有相同的持續長度。
兩方僵持不下，誰也不能說服誰。
這場爭論，激發了蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室教授王記增的好奇心。
倒著畫出新天地
然而，王記增和他的團隊在這項研究上並非一帆風順。在數次更換模型、數次計算失敗之後，他們走進了死胡同。
「還是不對，這個曲線圖的數據不是我想要的！」幾次更改都得不到想要的數據，王記增終於惱了。
他雙眉緊鎖，語氣中有明顯的責備，「你再畫一遍，倒著畫！」王記增對他的學生、後來的論文第一作者劉小靖說。
「倒著畫？」劉小靖心裡納悶，但還是照著老師的指示做了。
沒想到，「倒著畫」得出的數據讓他們的研究走出了死胡同，並對論文《微管的奇異彎曲行為》起到了關鍵性的作用。
這篇論文在耦合結構力學與聚合物分子理論的基礎上，分別從彎曲、屈曲及統計熱力學行為等角度，系統研究了細胞「骨架」中微管的力學性質，首次給出了刻畫微管等效彎曲剛度的特徵量——持續長度隨幾何尺寸、材料參數及加載方式變化的一個封閉形式解析表達式，從而完美解釋了為什麼基於不同實驗技術與方法測量所得微管持續長度相差幾個數量級的難題。
「科學創新需要發散性思維，沒有規律可言，不會走完A，就一定是B。」回憶起當日如何走出困境，王記增對《中國科學報》記者說。
「馬尾辮」反而比「板寸」更硬
在研究過程中，王記增小組還有一個意外的收穫：發現了細胞「骨架」硬度的力學奧秘。
「你說是板寸硬還是馬尾辮硬？」對於該發現，王記增形象地打了個比方。「當然是板寸硬。因為頭髮越短越硬，越長越軟，這是普遍規律。」
但他們的研究發現，形狀似頭髮絲的蛋白質微管有一個奇異的力學特性——其具有的熱擾動剛度在15微米左右最硬，1.5微米左右最軟。
王記增介紹說，這一奇異彎曲行為可解釋細胞有絲分裂後期，由微管構成的紡錘體如何有效地將具有細胞尺寸間距的兩個中心粒連同染色質一起撐開，而不至於發生屈曲失穩。
「細胞骨架決定著真核細胞的力學性質，並與其移動、生長、分化和繁殖等基本細胞功能有關。」王記增告訴記者，該研究雖然看似理論性很強，但有助於加深對作為細胞骨架基本構成單元的微管、微絲和中間絲等生物聚合物分子統計力學性質與行為的認識，對從分子與細胞層次理解生命現象乃至重大疾病的發病機理也有著深遠的影響。
論文評審人亦認為：「其揭示的蛋白質微管力學性質的尺寸效應非常重要且意義深遠，將引起生物物理學界的廣泛興趣。」（來源：中國科學報 劉曉倩）