研究人员建立了一个物理模型来探究细胞内的创造性破坏

普林斯顿大学的研究人员展示了活细胞中一个关键过程背后的机制，其中液滴形成并在纵横交错的细胞内部的复杂聚合物支架内执行复杂的任务。

这些发现为细胞凝聚物(由细胞液体成分形成的有组织的液滴)的发展提供了新的见解。冷凝物在健康和疾病中发挥着至关重要的作用，大约 15 年前的发现极大地改变了科学界对细胞运作的理解。关于冷凝物如何在复杂的细胞环境中产生和生长的许多基本方面仍然知之甚少。

该研究探讨了细胞纤维网络如何影响凝结物的形成。这些网络由延伸到整个细胞的细聚合物线组成。研究人员发现，在液-液相分离过程中，弦之间的空间会形成冷凝物，类似于油与水的分离。

凝结物向网络施加物理压力，然后在聚合物串断裂处突然大爆发。随后的凝析油生长取决于凝析油吸收更多生物分子的能力以及网络抵抗进一步破裂的强度。

研究人员表示，这种了解细胞中生物分子凝聚物和纤维网络之间的机械相互作用的窗口应该会促进对许多生物医学前沿的理解。此外，这些发现为材料科学探索具有新颖特性的“软物质”物质提供了途径。

普林斯顿大学罗德尼·普里斯特利实验室的博士后研究员、该研究的主要作者杰森·刘(Jason Liu)说：“由于细胞内部如此致密和复杂，我们开发了一个模型系统，以一种易于理解的方式探测生物分子凝聚态的形成行为。” ，九月发表在《自然通讯》上。

刘说，这些结果为材料科学和生物学提供了见解。工程师正在研究纤维网络中含有液体的材料，他说细胞行为可以帮助改进依赖类似材料的设备。“我们在生物分子背景下液-液相分离获得的见解也可以扩展到新的背景，这意味着我们可以使用‘生命规则’作为实现新材料结构的手段，”刘说。

普里斯特利补充道：“杰森在纤维网络存在的情况下演示了液滴的形成，解决了与在严格模拟细胞内物理环境的受限环境中的结构形成相关的悬而未决的问题。”普林斯顿大学研究生院院长。

刘和同事用琼脂糖水凝胶构建了细胞内部模拟物，琼脂糖水凝胶是一种橡胶状凝胶状物质，其内部孔隙(空间)类似于纤维网络中的孔隙。研究人员用乙醇(啤酒、葡萄酒和烈酒中存在的酒精)和癸烷(汽油中发现的一种无色油状碳氢化合物)使凝胶饱和。

将负载混合物的凝胶浸泡在水中引发乙醇和癸烷的相分离，其中癸烷形成生物冷凝物状球体。(在真实细胞中，凝聚体由蛋白质和 RNA 组成。)研究人员加入了荧光染料，从而可以密切跟踪人造凝聚体的生长和动态。

在这种设置中，琼脂糖凝胶互连的孔隙空间内产生了小的冷凝物，就像细胞的纤维网络一样。研究人员观察了凝胶中的单个原纤维状链如何限制癸烷缩合物的膨胀，将分离的液体挤压成不连贯的非球形。当足够多的癸烷成功地凝结在受限的冷凝物上时，线会破裂，并且冷凝物会进一步发生相分离，并且尺寸膨胀成完全形成的球体。

总体而言，该模型表明，纤维网络与单个冷凝物的相分离作用之间的相互作用最终有助于确定冷凝物的质量、数量和尺寸分布。研究人员表示，更好地了解冷凝物如何以这种方式自然产生，对于涉及活细胞和非生命材料中冷凝物的应用研究至关重要。

在活细胞中，凝结物的产生与从细胞分裂到调节基因活性和修复 DNA 损伤的无数过程有关。越来越多的研究表明，当冷凝物形成不正确或数量错误时，就会出现功能障碍。例如，粘稠和缠结的冷凝物与包括阿尔茨海默病在内的神经退行性疾病有关。其他研究表明冷凝物在癌症、病毒感染等方面可能发挥作用。持续的研究可能会带来针对冷凝物形成和功能的新疗法。

普里斯特利说：“由于这些结果和其他后续研究，我们可以期望更好地了解受限环境中软物质结构的形成，这在许多健康和疾病背景下可能很重要。”

从材料科学的角度来看，增加对液-液相分离的了解将为正在进行的固-液复合材料工作提供信息。这些材料的特点是液体成分融入纤维或其他固体基质中，有望实现有利的新机械、电气和热特性。

普里斯特利说：“从长远来看，我们可以期望了解如何利用不同寻常的材料特性组合来构建结构化物质。”