熔岩灯囊泡展示细胞如何自组织

活细胞内部挤满了大而复杂的分子。关于这些分子如何自发组织自身的新研究可以进一步了解细胞如何在拥挤的空间中管理其基本的生物化学。这项研究还可能揭示第一个生命系统是如何出现的以及它们是如何进化出复杂性的。

真核细胞含有由脂质膜界定的有组织的结构或细胞器。一个例子是线粒体，它在细胞中产生能量。近年来，科学家们发现，除了这些细胞器之外，分子群也可以自发地形成没有膜的临时细胞器，以执行某些特定功能。

“可能存在简单的物理机制来根据需要创建专门的‘设计细胞器’，” 加州大学戴维斯分校生物医学工程教授 Atul Parikh说。

使用简化的细胞模型，帕里克的实验室发现了聚合物混合物如何分解成相分离的液滴，就像熔岩灯中的油一样，并且这些液滴以意想不到的方式与细胞膜相互作用，包括影响细胞的外部结构。细胞。该成果发表于 7 月 6 日 《自然化学》杂志上。

研究生 Wan-Chi Su 与 Parikh 合作，创造了活细胞大小的人造囊泡。这些本质上是带有合成膜的气泡，含有溶解有两种聚合物的水。两种聚合物都溶解在水中，但彼此排斥，因此如果混合在一起并自行放置，它们会分成两相，就像未混合的沙拉酱一样。

Su和Parikh发现，当他们从囊泡中抽出水时，聚合物将开始形成分离的液滴，正如预期的那样。但他们发现，聚合物液滴和囊泡膜内部之间的相互作用阻止了生长，从而形成了液滴镶嵌体，而不是逐渐形成越来越大的液滴。

细胞外信号传导

这些相互作用也会对囊泡的外部产生影响，导致冒泡或“起泡”效应。这看起来类似于在某些情况下在活细胞中看到的效果。

“与细胞边界的耦合会过早地停止相分离并产生液滴镶嵌。有趣的是，囊泡内的这些 3D 液滴会重组 2D 膜中的分子，从而也向囊泡外部发出信号，”Parikh 说。研究人员相信，这种现象是普遍适用的，而不是特定于这种特定的分子组合。

帕里克说，这项工作展示了纯粹的物理相互作用——聚合物如何相互排斥或吸引——如何在简化的类细胞系统中产生复杂的组织。

“我们正在阐明生物学背后的物理和化学原理，”他说。“它可能会说明生命最初是如何产生的。”

帕里克和同事计划将这项工作扩展到更复杂的系统，包括活细胞。

该论文的其他作者包括：Douglas Gettel，加州大学戴维斯分校;James Ho CS，南洋理工大学，新加坡;安德鲁·罗兰和克里斯汀·基廷，宾夕法尼亚州立大学。

这项工作得到了国家科学基金会和能源部科学办公室的部分支持。