《Science》无膜细胞室的内部工作

来源: 生物通 / 作者: 2021-09-13
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约翰霍普金斯医学院的研究人员报告说,食品科学原理帮助他们确定了细胞内不寻常的液滴是如何保持组织的,并避免溶解到细胞内部的其他凝胶状部分。

研究人员表示,他们的工作可以促进对细胞进化的科学理解,并帮助食品和化学工业的科学家开发出更好的防止液体混合物分离的方法。

所有生物的细胞里都有一组叫做细胞器的微型生物机器。这些结构运行细胞的动力源线粒体、脑核和其他操作,所有这些都有明确的边界,并被膜包裹。然而,还有一些细胞部分看起来是黏性的、无膜的 “斑点”,但它们有不同的用途,比如调节基因、发送化学信号或储存特定分子的位置。

长期以来,科学家们一直认为这些有点神秘的液滴可能是细胞器的原始版本,约翰 · 霍普金斯大学领导的研究小组对实验室线虫进行了进一步研究。

研究小组关于这些被称为生物分子冷凝物的液滴的发现发表在 9 月 10 日的《Science》杂志上。

“我希望这项工作将有助于说服科学家,生物分子冷凝物是高度复杂的细胞隔间,” 约翰霍普金斯大学医学院基础研究副院长,霍华德 · 休斯医学研究所研究员 Geraldine Seydoux 博士说。“我们发现它们和其他细胞器一样,具有调节作用并对环境做出反应。我们发现它们确实有膜,只是不是我们习惯看到的那种。”

20 世纪 70 年代,科学家们首次将生物分子凝聚物命名为 “颗粒(granules)”,他们使用电子显微镜更仔细地观察了许多生物体的结构,包括被称为线虫的弯曲生物,其相对简单的生物学特性使其成为研究从现代基因切割技术到蛋白质结构等一切事物的通用实验室模型。线虫体内的冷凝物,看起来坚韧,外观与沙粒相似,被称为 P 颗粒。

2014 年,在 Seydoux 的实验室里,研究生 Jennifer Wang 进行了基因分析,在线虫 P 颗粒中发现了一种名为 MEG-3 的蛋白质。Wang 的实验表明,另一种蛋白质,PGL-3,创造了粘性的液滴,即 P 颗粒的 “核心”,而 MEG-3 悬浮在 P 颗粒的外部,形成了覆盖在 P 颗粒表面的小 “团簇”。

Seydoux 说:“我们不明白的是,这些蛋白质可能只是停留在 P 颗粒的外部,却对稳定颗粒内部如此不可或缺。”

2020 年 1 月,当 Seydoux 正在寻找合适的词语来描述他们的观察结果时,这个谜团仍未解开。她在谷歌上搜索了 “固体稳定液”,发现了皮克林(Pickering)乳剂的食品科学概念。Seydoux 说:“当我读到更多关于这个现象的信息时,我感到非常惊讶。

乳化液是两种通常不能很好混合的液体的混合物,比如油和水。Pickering 乳剂是一种稳定的混合物,就像杂货店里每天买的牛奶一样。

未经加工的牛奶自然是不稳定的,牛奶中的脂肪滴往往会粘在一起,以减少脂肪分子之间的整体表面积。脂肪分子 (或奶油) 上升到顶部,从乳清 (或牛奶中的水状液体) 中分离出来。

为了避免牛奶分离和稳定液体,牛奶加工者将牛奶通过一个小针,这将分解脂肪滴,在它们表面覆盖一种名为酪蛋白的蛋白质,避免产生一层融合脂肪分子的乳脂层。

Seydoux 说,她突然想到,MEG-3 可能以一种非常类似于牛奶中的酪蛋白的作用,降低液滴的表面张力,防止它们融合在一起。她补充说,MEG-3 倾向于留在 P 颗粒表面,这表明它起到了一种膜的作用。

在他们的实验中,Seydoux 和她的团队表明,涂有 MEG-3 涂层的 PGL-3 液滴在玻片上保持均匀分离,与未涂涂层的凝聚物熔合在一起的液滴数量是前者的两倍,从而在玻片上形成更少、更大的液滴。

Seydoux 说:“这在食品科学中是一个众所周知的现象,现在我们看到,它也可能发生在细胞内。”

Seydoux 和她的团队还对缺乏 MEG-3 的线虫卵细胞进行了工程改造,发现未被包裹的 P 颗粒溶解得更慢。Seydoux 说,这个和其他实验表明,MEG-3 不仅在正常条件下稳定液滴,而且在环境条件变化时使液滴反应更快。

Seydoux 的博士后团队向一位物理化学专家寻求帮助,以完成他们的研究,这位专家可以指导他们了解皮克林乳剂的物理。

几个月前,伦敦帝国理工学院 (Imperial College of London) 的生物工程师 Chiu Fan Lee 加入了这个团队,他帮助他们确定了 MEG-3 线虫模型中缺失的一个成分: 一种名为 MBK-2 的酶,它有助于 P 颗粒内的液体变得不那么粘稠。

Seydoux 说:“总之,这些实验为细胞内的原始汤如何聚集成隔间提供了解释,这些隔间可以抵抗融合,并对发育线索作出反应。”

该团队计划进一步研究,以确定 MEG-3 的精确物理结构,以及它如何工作的更多细节。他们说,如果进一步的研究取得成功,MEG-3 可以为食品和化学工业开发皮克林乳剂提供一种可再生资源。

Seydoux 和团队已经申请了使用 MEG-3 作为开发 Pickering 乳剂工具的专利。

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