氣泡理論將細(xì)胞生物學(xué)提升到一個新的時代

描述氣泡如何在一杯香檳中形成的令人興奮的數(shù)學(xué)啟發(fā)了一個設(shè)計活細(xì)胞的框架。

9 月 22 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究詳細(xì)介紹了控制氣泡和液滴形成的既定物理理論如何導(dǎo)致對組織活細(xì)胞內(nèi)容物的原理有了新的理解。這項工作標(biāo)志著研究人員理解和控制細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜軟材料的能力發(fā)生了翻天覆地的變化。

“這種方法在材料科學(xué)中很常見，但我們已經(jīng)對其進(jìn)行了調(diào)整，以在細(xì)胞中做一些前所未有的事情，”首席研究員 Clifford Brangwynne 說，他是 92 年 6 月的 K. Wu 工程教授兼普林斯頓生物工程計劃的負(fù)責(zé)人。

目前的工作是在十多年前 Brangwynne 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞蛋白質(zhì)組織成細(xì)胞內(nèi)的液體結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行的。這一見解催生了一個新的研究領(lǐng)域，研究細(xì)胞的各個部分是如何形成的，就像油滴在水中凝聚一樣。從那時起，科學(xué)家們一直對這些結(jié)構(gòu)如何組裝的確切細(xì)節(jié)感到困惑。但要測量細(xì)胞內(nèi)單個分子的松軟動力學(xué)是一件困難的事情，在細(xì)胞內(nèi)，隨著微小結(jié)構(gòu)的形成和溶解每秒一千次，神秘的、重疊的過程混亂地攪動著。

博士后研究員 Shunsuke Shimobayashi 曾在京都大學(xué)學(xué)習(xí)軟物質(zhì)物理學(xué)，并想知道他在稱為脂質(zhì)的有機(jī)化合物方面的工作背景是否可以闡明有關(guān)該問題的任何有趣之處。如果蛋白質(zhì)分子以油與水分離的方式從周圍凝結(jié)，那么描述該過程的第一步(稱為成核)的數(shù)學(xué)方法也將證明對蛋白質(zhì)有用。

Shimobayashi 轉(zhuǎn)向經(jīng)典的成核理論，這是材料科學(xué)的支柱。它的方程式推動了 20 世紀(jì)一些最深刻的技術(shù)變革，從首次揭示全球變暖的氣候模型到幫助數(shù)十億人擺脫饑餓的化肥。

他還敏銳地意識到一個關(guān)鍵區(qū)別：這些方程描述了簡單的、無生命的系統(tǒng)，但細(xì)胞內(nèi)部卻處于混亂狀態(tài)。“對于生物分子來說，這是一個更加復(fù)雜的材料環(huán)境，”Shimobayashi 說。但他繼續(xù)前進(jìn)，與理論家 Pierre Ronceray 和機(jī)械和航空航天工程教授 Mikko Haataja 合作。研究人員將該理論分解為兩個最重要的參數(shù)，對其進(jìn)行調(diào)整以試圖了解該過程如何在細(xì)胞中發(fā)揮作用。然后為了驗證這一理論，Shimobayashi 求助于 2018 年在 Brangwynne 實驗室開發(fā)的一種先進(jìn)的蛋白質(zhì)工具，該工具提供了一個理想的、簡化的系統(tǒng)，可以模擬該過程如何在細(xì)胞中自然發(fā)生。將它們放在一起，結(jié)果令人震驚。

當(dāng) Shimobayashi 試圖誘導(dǎo)液滴立即播種時，系統(tǒng)失敗了。但是當(dāng)他更慢地播種液滴時，它們在精確定義的位置成核，這種方式與他改編的理論完全一致。他已經(jīng)以 Brangwynne 所說的“驚人的準(zhǔn)確性”預(yù)測了蛋白質(zhì)液滴的形成方式、地點和時間。

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