气泡理论将细胞生物学提升到一个新的时代

描述气泡如何在一杯香槟中形成的令人兴奋的数学启发了一个设计活细胞的框架。

9 月 22 日发表在《自然》杂志上的一项研究详细介绍了控制气泡和液滴形成的既定物理理论如何导致对组织活细胞内容物的原理有了新的理解。这项工作标志着研究人员理解和控制细胞内复杂软材料的能力发生了翻天覆地的变化。

“这种方法在材料科学中很常见，但我们已经对其进行了调整，以在细胞中做一些前所未有的事情，”首席研究员 Clifford Brangwynne 说，他是 92 年 6 月的 K. Wu 工程教授兼普林斯顿生物工程计划的负责人。

目前的工作是在十多年前 Brangwynne 发现细胞蛋白质组织成细胞内的液体结构之后进行的。这一见解催生了一个新的研究领域，研究细胞的各个部分是如何形成的，就像油滴在水中凝聚一样。从那时起，科学家们一直对这些结构如何组装的确切细节感到困惑。但要测量细胞内单个分子的松软动力学是一件困难的事情，在细胞内，随着微小结构的形成和溶解每秒一千次，神秘的、重叠的过程混乱地搅动着。

博士后研究员 Shunsuke Shimobayashi 曾在京都大学学习软物质物理学，并想知道他在称为脂质的有机化合物方面的工作背景是否可以阐明有关该问题的任何有趣之处。如果蛋白质分子以油与水分离的方式从周围凝结，那么描述该过程的第一步(称为成核)的数学方法也将证明对蛋白质有用。

Shimobayashi 转向经典的成核理论，这是材料科学的支柱。它的方程式推动了 20 世纪一些最深刻的技术变革，从首次揭示全球变暖的气候模型到帮助数十亿人摆脱饥饿的化肥。

他还敏锐地意识到一个关键区别：这些方程描述了简单的、无生命的系统，但细胞内部却处于混乱状态。“对于生物分子来说，这是一个更加复杂的材料环境，”Shimobayashi 说。但他继续前进，与理论家 Pierre Ronceray 和机械和航空航天工程教授 Mikko Haataja 合作。研究人员将该理论分解为两个最重要的参数，对其进行调整以试图了解该过程如何在细胞中发挥作用。然后为了验证这一理论，Shimobayashi 求助于 2018 年在 Brangwynne 实验室开发的一种先进的蛋白质工具，该工具提供了一个理想的、简化的系统，可以模拟该过程如何在细胞中自然发生。将它们放在一起，结果令人震惊。

当 Shimobayashi 试图诱导液滴立即播种时，系统失败了。但是当他更慢地播种液滴时，它们在精确定义的位置成核，这种方式与他改编的理论完全一致。他已经以 Brangwynne 所说的“惊人的准确性”预测了蛋白质液滴的形成方式、地点和时间。

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