作者艾伦·杜布罗，德克萨斯大学奥斯汀分校 使用颜色突出显示包含冷凝物的单个蛋白质分子
学分:伊利诺伊大学香槟分校周汉义 近年来，随着新的生物结构的作用变得更加清晰，人类细胞内部的世界变得更加有趣
长期以来，人们认为细胞中最重要的操作发生在细胞器内
“他们是来做某些功能的
例如，线粒体产生一切运转的能量，”伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校的物理学教授阿列克谢·阿克西蒂耶夫解释说
“它们都有一个共同点，那就是它们被一层脂质膜包围着
人们最近发现有些细胞器没有脂质双层
它们以液滴的形式自发聚集
这些细胞器有特殊的功能
" 近年来，随着成像能力的提高，这些无膜细胞器的作用、发生和行为变得更加清晰
2017年，它们被命名为:生物凝聚体
它们被认为在脱氧核糖核酸修复和衰老中起作用，研究人员认为许多神经疾病与冷凝物不能正常工作有关，包括肌萎缩性侧索硬化症(ALS)，即神经细胞分解，导致肌肉功能丧失。
“假设你有脱氧核糖核酸，它突然就断了
这通常是一件非常糟糕的事情，因为它不能复制，但是有一个机器会来修理它，”他解释说
“一个凝聚气泡形成，奇迹般地只吸引修复脱氧核糖核酸所需的分子
有各种不同的凝聚体，它们都以某种方式吸收正确的分子
" 这些无膜细胞器是如何自发形成的？以及他们如何招募其他分子来帮助他们？ 这个过程的物理过程看起来类似于相分离，就像油和水在合适的条件下自发形成液滴一样，但是有一些不同
在正常的相分离中，温度通常促进分离
在生物学中，这是浓度的变化
“我们不知道它是如何工作的，”阿克西蒂耶夫说
“我特别感兴趣的是这种招募是如何发生的，以及分子如何识别其他分子
" 生物凝聚体的全原子模型
使用颜色突出显示包含冷凝物的单个蛋白质分子
学分:斯旺·顿，伊利诺伊大学香槟分校 为了更好地理解这一过程，阿克西蒂耶夫正在使用得克萨斯高级计算中心(TACC)的弗龙特拉超级计算机，这是世界上最快的计算机之一
在过去的十年里，他和其他人开发了工具和方法，使用分子动力学模拟在原子水平上探索生物系统的行为
Aksimentiev能够在真实环境中模拟数百万个相互作用的原子的生物系统，时间跨度为微秒甚至毫秒——这是生物系统运行的时间尺度
今天的超级计算机允许更大、更快的模拟，并允许科学家提出和回答新的问题
即使以该领域的标准来看，生物凝聚物也很难通过计算来研究
不同于其他有序系统，如具有已知刚性结构的蛋白质，或无序系统，如水，生物冷凝物是所谓的“部分无序”——一种特别难模拟的结构
在2020年5月发表在《物理化学快报》杂志上的文章中，阿克西蒂耶夫和研究生周汉义描述了Frontera上的粗粒度分子动力学模拟，该模拟绘制了融合在肉瘤(FUS)中的特定生物分子凝聚体的相图(不同温度和压力条件下物质物理状态的图形表示)
FUS是一种核脱氧核糖核酸/核糖核酸结合蛋白，调节基因表达的不同步骤，包括转录、剪接和核糖核酸转运
这项研究得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的资助
研究人员表明，基于粒子的分子动力学模型可以重现已知的FUS凝聚物的相分离特性，包括其临界浓度和对突变的敏感性
他们还表明，他们可以使用链坍缩理论来确定冷凝物的热力学性质，并将它们与单个冷凝物分子的形状变化联系起来
他们发现，生物凝聚体的行为，及其所有复杂的分子间和分子内相互作用，可以用聚合物物理模型来描述
这使得计算机建模成为揭示这些仍然神秘的细胞行为者的有用工具
阿克西蒂耶夫的研究为未来的研究奠定了基础，这些研究将阐明在更复杂的生物凝聚体中驱动液滴形成的分子机制，如修复核糖核酸的分子机制
这项工作是充分阐明细胞中生物凝聚体之谜的漫长道路上的一步——这是大自然慢慢发现的另一个诀窍
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