合成液滴引起原始汤的搅动趋化性研究回答了有关生物运动的问题

我们的身体由数万亿个不同的细胞组成，每个细胞都发挥着自己独特的功能来维持我们的生存。细胞如何在这些极其复杂的系统内移动?他们怎么知道要去哪里?它们一开始是如何变得如此复杂的?像这样简单而深刻的问题是好奇心驱动的基础研究的核心，其重点是自然现象的基本原理。一个重要的例子是细胞或生物体响应其环境中的化学信号而移动的过程，也称为趋化性。

来自冲绳科学技术研究所(OIST)三个不同研究单位的一组研究人员聚集在一起，通过制造合成液滴来模拟实验室中的现象，从而回答有关趋化性的基本问题，从而使他们能够精确地分离、控制和研究趋化性。现象。

他们的结果有助于回答有关简单生物系统运动原理的问题，已发表在《美国化学会杂志》上。

“我们已经证明，通过简单的化学相互作用可以使蛋白质液滴迁移，”AlessandroBevilacqua博士说。蛋白质工程和进化单元的学生，也是该论文的共同第一作者。PaolaLaurino教授，该单元负责人、资深作者。劳里诺补充说，他们“创建了一个简单的系统，可以模拟非常复杂的现象，并且可以通过酶活性进行调节。”

表面张力

虽然创造液滴的过程听起来可能不是最复杂的任务，但尽可能接近现实地模仿生物过程，同时保持对所有变量的精确控制肯定是最复杂的任务。这种合成的无膜液滴含有非常高浓度的牛蛋白BSA(可模拟细胞内拥挤的条件)以及脲酶(一种催化尿素分解为氨的酶)。

氨是碱性的，这意味着它具有较高的pH值。当酶逐渐催化氨的产生时，它会扩散到溶液中，在液滴周围产生较高pH值的“光环”，这反过来又使液滴能够检测到其他液滴并相互迁移。

研究人员发现，了解液滴趋化性的关键是pH梯度，因为它促进了马兰戈尼效应，该效应描述了分子如何从高表面张力区域流向低表面张力区域。

表面张力是衡量表面分子(如胶水)保持在一起所需能量的量度。当pH值增加时，这种胶水会减弱，导致分子扩散并降低表面张力，从而使分子更容易移动。您可以通过将具有高pH值的肥皂添加到装有静水的浴缸的一端来看到这一点：由于马兰戈尼效应，水会流向带有肥皂的一端。

当两个合成液滴足够接近时，它们的光环会相互作用，提高它们之间环境的pH值，从而使它们一起移动。由于液滴两端的表面张力仍然很强，因此它们会保持其形状，直到表面接触为止，并且液滴内的内聚力克服了表面张力，导致它们合并。由于较大的液滴会产生更多的氨并具有较大的表面积(这会降低表面张力)，因此它们会吸引比自身小的液滴。

古汤与未来生物技术的合作

由于这些液滴的发展，研究人员在回答有关生物运动的基本问题方面取得了进展，在此过程中，他们深入了解了数十亿年前原始汤中最早的生命形式的定向运动，如以及创造新的生物启发材料的领导者。

我们对数十亿年前生命的了解充其量是模糊的。一个突出的假设是，生命起源于海洋，有机分子在“原始汤”中逐渐组装并变得更加复杂，而这可能是通过马兰戈尼效应的趋化性促进的。

正如劳里诺教授所说：“在假设的生命起源情景中，液滴具有这种迁移机制将是有益的。”这种迁移可能触发了原始代谢途径的形成，酶催化各种物质，最终产生化学梯度，将液滴驱动到一起，从而形成更大、更复杂的群落。

该研究还及时指出了未来，为新技术提供了线索。“一个例子是受生物学启发而创建响应性材料，”亚历山德罗·贝维拉夸(AlessandroBevilacqua)建议道。“我们已经展示了简单的液滴如何通过化学梯度进行迁移。这一技术的未来应用可能是感知化学梯度或对化学梯度做出反应的技术，例如在微型机器人或药物输送中。”

该项目开始于冠状病毒大流行期间，当时蛋白质工程和进化部门的一名成员与复杂流体和流动部门的一名成员处于隔离状态。两人开始交谈，尽管这两个单位分别来自两个不同的领域——生物化学和力学——但该项目是同步发展的。最终，来自微/生物/纳米流体单元的成员加入了该项目，对液滴的表面张力进行了复杂的测量。

OIST独特的非学科研究环境促进了此次合作。正如劳里诺教授所说，“如果我们被部门分开，这个项目就不可能存在。这不是一次轻松的合作，因为我们以非常不同的方式交流我们的领域，但物理上的接近使得它变得更加容易。”

AlessandroBevilacqua补充道：“咖啡因素非常重要。能够与其他单位成员坐下来，使整个过程更快、更有成效。”他们的合作并不止于此，相反，本文是三个单位之间富有成效的合作伙伴关系的开始。

“我们在工作中看到了很多协同作用，我们一起有效且高效地工作。我不认为我们有理由停止，”劳里诺教授说。正是由于这三个单位的共同努力，我们现在对最小、最早、甚至可能是未来尺度的生命的微小运动有了更多的了解。