一種利用光來控制活細胞內(nèi)物質(zhì)的工具，已經(jīng)開始為我們解釋“蛋白質(zhì)如何組裝成不同的液體和凝膠狀固態(tài)”，這對于理解許多關(guān)鍵的細胞運轉(zhuǎn)，是至關(guān)重要的。延伸閱讀：Science：新結(jié)構(gòu)揭示細胞的蛋白質(zhì)生產(chǎn)機器是如何組裝的。

由于極大的復(fù)雜性，宿主細胞會同時發(fā)生成千上萬的化學(xué)反應(yīng)。一些反應(yīng)發(fā)生在專門的隔間里，稱為細胞器。然而，某些細胞器沒有任何細胞膜，將它們與細胞內(nèi)漂浮的其他物質(zhì)隔開。這些無膜細胞器以某種方式作為細胞質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等大分子當中的獨立結(jié)構(gòu)。

目前，普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種新的工具——被稱為optoDroplet，給我們提供了前所未有的機會來操縱和理解允許無膜細胞器發(fā)揮功能的化學(xué)機制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在12月29日的《Cell》雜志。

本文資深作者、普林斯頓大學(xué)細胞化學(xué)和生物工程助理教授Clifford Brangwynne說：“這種optoDroplet工具開始讓我們仔細分析控制無膜細胞器組裝的物理和化學(xué)規(guī)則。我們對這個過程的根本機制了解甚少，如果我們了解了它，就有可能為與蛋白質(zhì)聚集相關(guān)的嚴重疾病（如ALS）開發(fā)出干預(yù)和治療措施。”

以往的研究已經(jīng)證明，無膜細胞器在細胞內(nèi)聚集的過程稱為相變：常見的相變的例子包括，水蒸氣冷凝成露滴或液態(tài)水凍成堅冰。Brangwynne及其同事們在過去幾年的研究表明，改變某些蛋白質(zhì)的濃度，或修改其結(jié)構(gòu)，似乎能觸發(fā)一種相位改變，使蛋白質(zhì)凝結(jié)成液滴狀的細胞器。

到目前為止，雖然大多數(shù)研究都使用試管中的純化蛋白質(zhì)，但是研究人員很少有方法來研究活細胞中的相變。optoDroplets將幫助科學(xué)家們了解“相變出錯時，產(chǎn)生的固體狀凝膠和蛋白質(zhì)結(jié)晶聚集體會引發(fā)某些疾病（包括阿爾茨海默氏癥和ALS）”的更多信息。

optoDroplet依靠光遺傳學(xué)技術(shù)，涉及的蛋白質(zhì)其行為可以通過光照改變。（細胞大多是水，基本上是透明的。）研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過打開光激活的蛋白質(zhì)，誘導(dǎo)相變和制備無膜細胞器。他們也可以通過簡單地把光關(guān)掉而取消相變。增加光強度和蛋白質(zhì)濃度，可允許研究人員進一步控制相變。通過改變這些輸入，他們可以確定何時凝聚液蛋白液滴形成以及固體狀蛋白質(zhì)聚集，可能與疾病相關(guān)。

Brangwynne說：“optoDroplet為我們提供了一個控制水平，可以用精確定位活細胞中的相圖。有了相圖，我們就開始了解細胞如何利用它們的自然機器，穿過這個細胞內(nèi)相圖來組裝不同類型的細胞器。”

該論文的第一作者是Brangwynne軟生物物質(zhì)研究組的博士后Yongdae Shin。這項工作是由美國國立衛(wèi)生研究院和國家科學(xué)基金會部分資助。

利用小鼠和人類細胞，該研究小組剪接了來自一種植物（鼠耳芥）的感光蛋白編碼基因，這種植物是甘藍和芥菜的近緣種，是遺傳學(xué)研究的主要模式植物。藍光照射可導(dǎo)致蛋蛋白質(zhì)自我結(jié)合，蜷縮起來。

感光標簽與蛋白成分融合，被認為可驅(qū)動活細胞中的相變。研究人員利用光，發(fā)現(xiàn)他們可以誘導(dǎo)蛋白蜷縮，從而模仿細胞中自然產(chǎn)生的冷凝過程。Brangwynne說：“利用水蒸氣的比喻，你可以認為我們做的事情是，使用激光局部改變了一些地區(qū)的空氣溫度，水滴會凝結(jié)出來。”

該小組反復(fù)促使蛋白質(zhì)凝結(jié)，然后通過打開和關(guān)閉光而溶解。這個過程被證明是完全可逆的，即使經(jīng)過多次循環(huán)。然而，用高強度的光或高濃度的蛋白質(zhì)，研究人員制備了半固體凝膠。這些凝膠最初是可逆的，但隨著時間的推移，它們凝固形成了不可逆轉(zhuǎn)的塊狀凝聚體，類似于一些疾病中發(fā)現(xiàn)的。

Brangwynne說：“我們表明，通過optoDroplet，我們可以很容易地組裝和拆卸相分離的液體，它們似乎并沒有對細胞造成任何影響。但是，凝膠狀的組件似乎更具問題，因為經(jīng)過許多周期，它們發(fā)展成了持久的聚集體，細胞不能再進行處理，可能開始損壞健康的生物過程。”

一個例子就是所謂的FUS。FUS蛋白對于細胞的操作至關(guān)重要；它有助于產(chǎn)生其他蛋白質(zhì)，并修復(fù)DNA損傷。但大量的遺傳突變可能會使FUS蛋白變得過于粘稠，從而引發(fā)ALS，也被稱為Lou Gehrig氏病。這種神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者失去了主動控制肌肉的能力，ALS的特點是在神經(jīng)細胞中積累了蛋白質(zhì)團塊。這些蛋白質(zhì)團塊可能來源于FUS或其他蛋白病理聚集，而不是保持動態(tài)的液滴。亨廷頓氏病和老年性癡呆還涉及堵塞細胞的蛋白質(zhì)團塊，再次表明細胞中的異常相變與這些疾病密切相關(guān)。

歐洲分子生物學(xué)實驗室的研究人員Edward Lemke，沒有參與細胞的研究，但是他指出了optoDroplet的前景。Lemke說：“optoDroplet靶定的蛋白質(zhì)，是相分離蛋白質(zhì)的一個重要組成部分，其中有許多與臭名昭著的疾病有關(guān)。optoDroplet系統(tǒng)可讓我們以一種微創(chuàng)和高度可控的方式，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)這些蛋白的狀態(tài)，所以它可以提供關(guān)于這些蛋白如何運作的新見解。”

Brangwynne和同事們期待著繼續(xù)用optoDroplet開展實驗，以更好地了解細胞的復(fù)雜行為。Brangwynne說：“這是我們正在做的基礎(chǔ)科學(xué)，回答了關(guān)于細胞內(nèi)相變的基本問題。但我們希望這些見解不僅能揭示健康細胞是如何運轉(zhuǎn)的，還可以揭示它們是如何病變的，最終可能如何治愈。”