普林斯顿大学
普林斯顿大学的研究人员开发了一个框架来设计蛋白质液滴，这些液滴组织细胞内的重要功能
他们发现的关键是根据经典材料科学改编的气泡形成理论
在上面，一个工程蛋白质片段(绿色)“种子”形成一个蛋白质小滴(红色)，更高级的细胞器如核仁的基础
这项新工作标志着科学家操纵细胞能力的巨大转变
图片由研究人员提供
学分:普林斯顿大学 描述一杯香槟中气泡如何形成的令人兴奋的数学启发了设计活细胞的框架
九月发表的一项研究
《自然》杂志上的22篇文章详细介绍了一个已确立的控制气泡和液滴形成的物理理论如何导致对活细胞内容物组织原理的新理解
这项工作标志着研究人员理解和控制细胞内复杂软物质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，”首席研究员克利福德·布兰文说
吴' 92工程教授，普林斯顿生物工程项目主任
目前的工作是在布兰文十多年前发现细胞蛋白质在细胞内组织成液体结构之后进行的
这一观点引发了一个新的研究领域，研究细胞的某些部分是如何形成的，就像油滴在水中聚结一样
从那以后，科学家们一直对这些结构如何组装的确切细节感到困惑
但是很难测量细胞内单个分子的湿软动力学，当微小结构每秒钟形成和溶解一千次时，神秘的、重叠的过程会混乱无序
博士后研究员俊介·西蒙林曾在京都大学研究软物质物理，他想知道他研究称为脂类的有机化合物的背景是否能阐明这个问题的任何有趣之处
如果蛋白质分子像油和水的分离一样从周围环境中凝结出来，那么描述这一过程第一步的数学方法，即成核，可能对蛋白质也有用
Shimobayashi转向经典成核理论，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肥料
他还敏锐地意识到一个关键的区别:那些方程描述的是简单的、无生命的系统，但细胞内部却处于混乱之中
Shimobayashi说:“对于生物分子来说，这是一个复杂得多的物质环境。”
但他继续前进，与理论家皮埃尔·朗塞雷和机械与航空航天工程教授米克·哈塔扎合作
研究人员将这一理论归结为两个最重要的参数，并对其进行调整，试图理解这一过程在细胞中是如何工作的
然后为了检验这一理论，Shimobayashi求助于Brangwynne实验室2018年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系统，可以模拟细胞中这一过程是如何自然发生的
把它们放在一起，结果令人震惊
当Shimobayashi试图诱导液滴瞬间结籽时，该系统失败了
但是当他更慢地播种小滴时，它们在精确定义的位置成核，这与他的适应理论完全一致
他以布兰文所说的“非凡的准确性”预测了蛋白质液滴是如何、在哪里和何时形成的
" 该团队接下来回到了原生细胞结构的混乱复杂性
当他们解释所有影响蛋白质浓度的过程时，他们发现这个理论也同样有效
他们已经将蛋白质一个分子一个分子地组装成调节生命最基本程序的复杂液体结构
Shimobayashi说，这些结构不仅看起来和行为像水中的油，它们还以相同的基本成核模式形成液滴，聚集在环境的微小变化周围，其速度可以用与其他种类材料相同的定量精度来预测
布兰文认为，这种预测能力带来了加速的工程能力
他认为，量化生物分子过程并在物理模型中开发预测模型，将导致一个世界，在这个世界中，我们不再被动地看着我们所爱的人死于阿尔茨海默氏症等疾病
“我们首先必须了解它是如何工作的，定量的数学框架是社会工程奇迹的基石
然后我们可以采取下一步行动，更好地控制生物系统，”布兰文说
“我们需要能够转动旋钮
" 除了Brangwynne和Shimobayashi，这项研究的作者还包括Pierre Ronceray，他以前是普林斯顿的博士后研究员；大卫·W
布兰文实验室的博士后研究员桑德斯；以及机械和航空航天工程教授Mikko Haataja
这项工作得到了霍华德·休斯医学研究所、美国国立卫生研究院和普林斯顿复杂材料中心的部分支持
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