亞利桑那州立大學(xué)的Giovanna Ghirlanda和Matthias Heyden，分子科學(xué)學(xué)院的教授和物理系教授Sara Vaiana正在通過一個新鏡頭觀察我們的細胞，使他們能夠獲得對幾種細胞活動機制的新見解。除了膜包裹的細胞器 - 細胞核，線粒體和高爾基體之外，僅舉幾個真核細胞就有許多缺乏腸衣的隔室。這些基于蛋白質(zhì)的液體球，稱為無膜細胞器，執(zhí)行各種細胞功能，這些功能在細胞質(zhì)中效率較低或根本不可能。研究人員現(xiàn)在正在研究無膜細胞器可能在與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)聚集中發(fā)揮作用，例如阿爾茨海默氏癥。

Ghirlanda，Heyden和Vaiana正在探索支撐這些細胞器形成的生物物理學(xué)，并利用這些信息來設(shè)計人造細胞器。他們的研究探索了一種實現(xiàn)區(qū)域化的創(chuàng)新方法，在合成生物學(xué)和催化方面具有可預(yù)見的應(yīng)用。

在過去的十年中，研究人員已經(jīng)了解到一種眾所周知的現(xiàn)象，稱為液 - 液相分離(LLPS)，它控制著這些大型無膜結(jié)構(gòu)中幾種的形成和功能。細胞內(nèi)部的新興圖景是，細胞質(zhì)和核質(zhì)是復(fù)雜的液體，可以穩(wěn)定地分離，類似于油和醋。借用物理化學(xué)和軟物質(zhì)物理等領(lǐng)域的知識 - 解釋液 - 液相分離的理論已經(jīng)為從加工食品中的穩(wěn)定劑到化妝品，從治療藥膏到油漆 - 生物學(xué)家的產(chǎn)品的開發(fā)有所了解，現(xiàn)在正在開發(fā)一種新的理解到目前為止，已有近二十二種無膜結(jié)構(gòu)。

這些結(jié)構(gòu)的重要性日益明顯。這些無膜結(jié)構(gòu)通過生物聚合物(例如蛋白質(zhì)和RNA)的液 - 液相分離形成，通常響應(yīng)于刺激。

該團隊正在研究是否可以開發(fā)LLPS來生成能夠執(zhí)行復(fù)雜催化功能的設(shè)計的無膜細胞器。這些新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍從提高工業(yè)應(yīng)用的體外酶級聯(lián)效率，到在人造細胞中提供技術(shù)簡單，有吸引力的蛋白質(zhì)膠囊和脂質(zhì)體替代品。

“如果成功，我們的方法將通過簡單地將設(shè)計的標(biāo)簽融合到所選擇的酶上，直接獲得無膜細胞器，”Ghirlanda解釋道。“此外，我們的計算方法將提供一種方法來定制酶的標(biāo)簽序列。”Ghirlanda實驗室的同期工作重點是人工金屬蛋白的設(shè)計。從長遠來看，它們的目標(biāo)是產(chǎn)生含有人工金屬酶的細胞器，這些細胞能夠催化氫的產(chǎn)生以及二氧化碳的還原。Heyden實驗室的工作重點是建立擁擠環(huán)境的計算機模擬方法，例如在無膜細胞器中發(fā)現(xiàn)的方法：該團隊目前的研究證明了這些方法的一個很好的試驗場。

Vaiana實驗室致力于相分離，因為它涉及神經(jīng)退行性疾病。在這種情況下，他們正在建立生物物理方法，以在體外和體內(nèi)表征LLPS。他們正在將他們的方法應(yīng)用于LLPS以幫助表征無膜細胞器，并確定支持每個序列的相變的關(guān)鍵相互作用。

了解機制并量化導(dǎo)致淀粉樣蛋白聚集和疾病的驅(qū)動力可能導(dǎo)致迫切需要治愈阿爾茨海默病。

三人(三位教授)最近獲得了國家科學(xué)基金會EAGER資助，以繼續(xù)他們的研究。NSF的EAGER專門用于潛在的變革性研究，探索新的主題，不同的方法或跨學(xué)科的方法，正是人們對創(chuàng)新研究的期望。

總之，將內(nèi)部細胞環(huán)境視為含有多個液滴作為無膜細胞器的液體，標(biāo)志著細胞生物學(xué)理解的轉(zhuǎn)折點。這個概念很年輕，液 - 液相分離組織細胞間隙的方式和原因仍然存在問題。但是，很明顯，這種現(xiàn)象支撐著越來越多長期觀察到的無膜細胞器的形成和功能。通過這項研究，該團隊旨在利用這一現(xiàn)象應(yīng)用于催化和合成生物學(xué)。