西班牙建筑大师安东尼奥·高迪的传世之作以形状新奇而著称。高迪常用的建筑元素，其灵感大多来自于自然界的生物体。这些元素除了产生视觉上的冲击，还要经得起结构稳定的推敲，更要隐含各种实用功能。由此可见，“形状”决定“功能”。

　　界定细胞结构边界的生物膜也是如此。构建复杂生命的真核细胞，其进化起源中的里程碑事件就是内部出现了膜。生物膜的形态和动态决定了由其包被的细胞和细胞器的形态和动态，且与多种生命活动的开展紧密关联。我们之前讨论过生物膜的动态变化（参见“生物膜的分分合合”），这里，我们再来探究一下生物膜的形态发生。

　　细胞内部“脏器”常见的形状有球状（细胞核、溶酶体、过氧化物酶体、囊泡），椭球状（线粒体），管状（内质网），扁平囊状（内质网和高尔基体）等。归根结底，这都是生物膜发生弯曲而产生的变化。膜弯曲的形式和程度可以用数学的方法来计量。简单来说，同样的球状结构，直径越小，膜弯曲的越厉害，比如“大个头”的细胞核核膜表面相对平坦，而“小个头”的囊泡表面则较为弯曲。

　　让生物膜发生弯曲的办法有很多，但通常都离不开蛋白质这类生物大分子的参与。除了细胞骨架对相对柔软的膜进行牵引以外，膜也可以受到“楔形”插入或“脚手架”固定而凹出造型。

　　细胞在内吞或分泌过程需要出芽产生囊泡，这就是膜弯曲的典型代表。有一些细胞器的膜天生就是弯的，比如内质网的管状结构，高尔基体囊膜的边缘，以及线粒体内膜的凹凸。相比起来，囊泡发生是可调控的动态过程，因此曲膜的机器都是“挥之即来，呼之即去”的外周膜蛋白，而细胞器的塑形是一项“全时全职”的工作，只能由“无法离开岗位”的整合膜蛋白完成。

　　在形状各异的细胞器里，内质网是研究生物膜塑形的绝佳对象。内质网是合成蛋白质和脂质的重要工厂，可以分为粗面（附着大量核糖体）和光面两种。实际上，粗面内质网就是扁平囊状或片状，光面内质网则多为管状。专业分泌型细胞需要大量合成蛋白质，所以片状内质网非常发达；黄体细胞需要大量合成脂质类激素，因此管状内质网多有富集。这就是说，“形状”又一次有效的决定了“功能”。更为令人惊叹的是，这些不同的形状和功能竟然发生在同一张庞大复杂的膜里面。

　　经过一系列巧妙的筛选，研究人员逐步揭示了内质网塑形的秘密。管状内质网的膜弯曲依靠一类叫RTN和REEP的蛋白家族，所以，这些蛋白被形象的称为“成管蛋白”。实际上，它们是专业的“曲度稳定蛋白”。片状结构的产生更加有趣而复杂：首先，成管蛋白也会跑到片状的边缘，来稳定那里的膜弯曲，其次，片状的表面需要一些因子来履平，最后，平行的膜片层间需要一个桥梁支架来约束其厚度，这项任务则由Climp63这个“桥连蛋白”来完成。由于这些塑形蛋白只出现在内质网的特定位置，它们也被用来“标记”不同的内质网区域。

　　内质网的膜弯曲到底是如何实现的？答案当然在成管蛋白里。此前，研究人员猜测这些蛋白的跨膜区组合和C端的双亲性螺旋都是楔形曲膜的典型案例，而其多聚化的性质又符合脚手架的人设。近期，中科院的研究团队通过深度学习的结构预测和3D打印的分子模型拼接，发现成管蛋白更多倚重弯弯的多聚体来充当曲膜的脚手架。

　　平坦而平行的片状膜结构如何维持其相对均一的厚度？桥连蛋白是这方面的专家。内质网片的厚度一般是50纳米，而桥连的消失会使片膜塌陷，厚度降低到30纳米。桥连蛋白具有同侧和对侧聚合的组合活性，但纯化的桥连蛋白极易聚集沉淀。这时，智能的结构预测又一次出手，揭开了桥连蛋白构象的神秘面纱。

　　曲膜也好，直膜也罢，塑形蛋白的多位点拼接是细胞常用一个高招。这些相互作用的位点单独来看，也许都很羸弱，但在特定规律的组合下，以及生物膜作为平台的召集下，会变得足够结实，又具有很强的可塑性。

　　总的来说，生物膜的曲曲直直凸显了生物大分子联合起来支撑生命活动的奇思妙想，也映证了生物物理学邂逅细胞生物学的精彩缤纷。

　　本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。