Cell：新研究发现生物凝聚物能够调节细胞电化学平衡

大多数生物化学研究历来侧重于维持生命运转的机械齿轮。折叠蛋白质、基因活动和电子信号通路是发现导致疾病的异常现象的最简单目标。

然而，近期的研究已发现有一种不同类型的细胞结构可能发挥着同样重要的作用。这些结构被称为生物凝聚物（biological condensate），它们因密度不同而存在，就像漂浮在水中的油滴，在细胞内部形成区室，而不需要膜包围的物理边界。

以前的研究表明这些生物凝聚物可以分离或困住某些蛋白质和分子，阻碍或促进它们的活动。他们还发现，这些结构提供了一种替代能源，可能为生物化学的某些方面提供动力。

不过，这些研究成果主要集中在生物凝聚物本身附近产生的影响上。科学家们还没有确定它们在物理结构之外可能影响生物化学的方式。

如今，在一项新的研究中，来自杜克大学和华盛顿大学的研究人员发现生物凝聚物的形成对细胞活动的影响远远超出了其附近的范围。相关研究结果于2024年9月10日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria”。

这些研究结果表明生物凝聚物可能是细胞调节其内部电化学的一种以前缺失的机制。这些内部控制反过来又会影响细胞膜，从而使这些不起眼的凝聚物能够影响全局性状和结果，比如对抗生素的耐药性。

论文共同通讯作者、杜克大学生物医学工程教授Lingchong You说，“我们的研究表明生物凝聚物对细胞的影响远远超出了直接的物理接触，几乎就像它们与细胞如何与环境相互作用有无线连接一样。除了证明这种联系背后的电机制外，我们还证明生物凝聚物的形成能使细胞对某些类型的抗生素更耐受，而对其他类型的抗生素更易感。”

论文共同通讯作者、杜克大学生物医学工程教授Ashutosh Chilkoti补充说，“这很可能只是冰山一角。我们预计，这些电位效应会通过细胞行为以多种方式表现出来。”

生物凝聚物的作用有点像海绵，在形成时吸收各种蛋白质、酶、离子和其他生物分子，同时排斥其他生物分子。如果它们在自己的区室中捕获了足够多的离子，从而变得带正电或负电，那么这种不平衡必然会反映在它们周围的细胞环境中。

这种静电活动为生物凝聚物的形成提供了一个渠道，从而影响细胞膜的电位和细胞内的电化学环境。由于这些环境因素对许多生物过程至关重要，因此它为这些不起眼的生物凝聚物提供了一种机制，使它们能够直接影响细胞与周围世界的相互作用。

图片来自Cell, 2024, doi:1016/j.cell.2024.08.018

论文第一作者、华盛顿大学生物医学工程助理教授Yifan Dai解释说，“即使极少量的生物凝聚物集中分布在远离细胞膜的地方，也能产生连锁反应，改变这一全局属性。这篇论文表明，这些影响是无法逃避的。只要这些微小的生物凝聚物形成，很多事情都会受到影响，甚至是全局范围内的基因调控。当我看到这一点时，我感到非常震惊。”

为了证明这一点，研究者努力证实这种现象会影响细菌在与某些抗生素相互作用后的存活率。他们以适当的方式对大肠杆菌菌落施加压力，或者操纵形成生物凝聚物的蛋白质的基因表达，使其形成内部的生物凝聚物。然后，他们测试了细菌细胞膜中产生的电荷，并让它们暴露于抗生素。

他们的结果显示生物凝聚物的形成导致一些细胞膜的负电荷增加，这直接影响了这些细菌细胞是否对抗生素产生反应，因为抗生素也是带电颗粒。他们说，这仅仅是这一研究方向的开端，因为许多生化过程都取决于细胞膜内的电势。

You说，“我们的研究揭示了生物凝聚物在调节整体细胞生理学中的作用。虽然我们对细胞如何利用这种活动来调节其功能还没有具体的机理认识，但它确实发生了，这是一个重大发现。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Yifan Dai et al. Biomolecular condensates regulate cellular electrochemical equilibria. Cell, 2024, doi:1016/j.cell.2024.08.018.