新发现的细胞内电活动可能会改变研究人员对生物化学的看法

人体严重依赖电荷。闪电般的能量脉冲穿过大脑和神经，大多数生物过程依赖于穿过我们身体每个细胞膜的电离子。

这些电信号是可能的，部分原因是存在于细胞膜两侧的电荷不平衡。直到最近，研究人员还认为膜是造成这种不平衡的重要组成部分。但是，当斯坦福大学的研究人员发现水和空气的微滴之间可能存在类似的不平衡电荷时，这种想法发生了转变。

现在，杜克大学的研究人员发现，这些类型的电场也存在于另一种称为生物凝聚物的细胞结构内部和周围。就像漂浮在水中的油滴一样，这些结构的存在是因为密度的差异。它们在细胞内形成隔室，而不需要膜的物理边界。

受到先前研究的启发，这些研究表明水的微滴与空气或固体表面相互作用会产生微小的电不平衡，研究人员决定看看小生物冷凝物是否也是如此。他们还想看看这些不平衡是否引发了活性氧，“氧化还原”，像其他系统一样的反应。

他们的基础发现于28月<>日发表在《化学》杂志上，可能会改变研究人员对生物化学的看法。它还可以提供关于地球上第一个生命如何利用产生所需的能量的线索。

“在没有酶催化反应的益生元环境中，能量从何而来?”杜克大学博士后研究员Yifan Dai问道，他在Ashutosh Chilkoti实验室工作，Alan L. Kaganov生物医学工程杰出教授和Lingchong You，James L. Meriam生物医学工程杰出教授。

“这一发现为反应能可能来自哪里提供了一个合理的解释，就像放置在电场中的点电荷所传递的势能一样，”戴说。

当电荷在一种材料与另一种材料之间跳跃时，它们可以产生可以配对并形成羟基自由基的分子片段，其化学式为OH。然后它们可以再次配对以形成微小但可检测量的过氧化氢(H2O2)。

“但是在细胞膜以外的生物体系中很少研究界面，这是生物学中最重要的部分之一，”戴说。“所以我们想知道生物凝聚物的界面会发生什么，也就是说，如果它也是一个不对称的系统。

细胞可以构建生物凝聚物来分离或捕获某些蛋白质和分子，阻碍或促进其活性。研究人员刚刚开始了解冷凝水的工作原理以及它们的用途。

由于Chilkoti实验室专门研究天然存在的生物凝聚物的合成版本，研究人员很容易为他们理论创建一个试验台。在结合正确的积木配方以产生微小的冷凝物后，在博士后学者Marco Messina的帮助下?加州大学伯克利分校的Christopher J. Chang小组向系统中添加了一种染料，在活性氧存在下会发光。

他们的预感是对的。当环境条件合适时，凝结水的边缘开始发出固体光芒，证实了以前未知的现象在起作用。戴接下来与斯坦福大学玛格丽特·布莱克·威尔伯化学教授理查德·扎尔(Richard Zare)进行了交谈，他的小组建立了水滴的电行为。Zare很高兴听到生物系统中的新行为，并开始与该小组合作研究潜在的机制。

“受到以前关于水滴的工作的启发，我的研究生Christian Chamberlayne和我认为相同的物理原理可能适用并促进氧化还原化学，例如过氧化氢分子的形成，”Zare说。“这些发现表明为什么冷凝物在细胞功能中如此重要。

“以前大多数关于生物分子凝聚物的工作都集中在它们的内脏上，”Chilkoti说。“Yifan发现生物分子缩合物似乎具有普遍的氧化还原活性，这表明缩合物并不是简单地进化来执行通常所理解的特定生物学功能，而且还被赋予了对细胞至关重要的关键化学功能。

虽然我们细胞内这种持续反应的生物学意义尚不清楚，但戴指出了一个益生元的例子，说明它的效果可能有多强大。我们细胞的动力源，称为线粒体，通过相同的基本化学过程为我们生命的所有功能创造能量。但是，在线粒体甚至最简单的细胞存在之前，必须有一些东西为生命的第一个功能提供能量才能开始工作。

研究人员提出，能量是由海洋或温泉中的热喷口提供的。其他人则认为，在水微滴中发生的这种相同的氧化还原反应是由海浪喷雾产生的。

但为什么不改用冷凝水呢?

“当物质变得微小并且界面体积与其体积相比变得巨大时，就会发生魔术，”戴说。“我认为这些影响对许多不同的领域都很重要。

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