利用光來(lái)操縱活細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的工具已經(jīng)開(kāi)始解釋蛋白質(zhì)如何組裝成不同的液體和凝膠狀固體狀態(tài)，這是理解許多關(guān)鍵細(xì)胞操作的關(guān)鍵。復(fù)雜的奇跡，細(xì)胞同時(shí)存在數(shù)千個(gè)化學(xué)反應(yīng)。一些反應(yīng)發(fā)生在專(zhuān)門(mén)的隔室內(nèi)，稱(chēng)為細(xì)胞器。然而，某些細(xì)胞器缺少任何膜以使其自身脫離細(xì)胞內(nèi)漂浮的其余物質(zhì)。這些無(wú)膜細(xì)胞器以某種形式存在于水，蛋白質(zhì)，核酸和其他分子的細(xì)胞海洋中的獨(dú)立結(jié)構(gòu)中。

普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新工具，稱(chēng)為optoDroplet，它提供了前所未有的操作和理解化學(xué)的途徑，使無(wú)膜細(xì)胞器能夠發(fā)揮作用。

“這種optoDroplet工具開(kāi)始允許我們剖析管理無(wú)膜細(xì)胞器自組裝的物理和化學(xué)規(guī)則，”普林斯頓化學(xué)和生物工程助理教授，在線發(fā)表論文的高級(jí)作者Clifford Brangwynne說(shuō)。在細(xì)胞上12月29日“這個(gè)過(guò)程背后的基本機(jī)制是非常知之甚少，如果我們就可以得到一個(gè)處理，有可能發(fā)展的干預(yù)和治療方法具有毀滅性蛋白聚集有關(guān)的疾病，如ALS希望。 “

先前的研究已經(jīng)證明，無(wú)膜細(xì)胞器通過(guò)稱(chēng)為相變的過(guò)程在細(xì)胞內(nèi)組裝：熟悉的相變的實(shí)例包括水蒸氣冷凝成露珠或液態(tài)水冷凍成固體冰。Brangwynne及其同事在過(guò)去幾年的研究表明，改變某些蛋白質(zhì)的濃度或改變其結(jié)構(gòu)似乎會(huì)引發(fā)相變，使蛋白質(zhì)凝結(jié)成液滴狀細(xì)胞器。

然而，迄今為止，大多數(shù)研究都使用在試管中研究的純化蛋白質(zhì)，研究人員幾乎沒(méi)有方法研究作為活細(xì)胞的狂熱發(fā)電機(jī)的相變。OptoDroplets將幫助科學(xué)家了解相變何時(shí)出錯(cuò)，產(chǎn)生類(lèi)固體凝膠和與阿爾茨海默氏癥和肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)等疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)晶聚集體。

OptoDroplet依賴(lài)于一種稱(chēng)為光遺傳學(xué)的技術(shù)，涉及蛋白質(zhì)，其行為可以通過(guò)暴露于光線而改變。(細(xì)胞主要是水，因此基本上是透明的。)研究人員表明，它們可以通過(guò)開(kāi)啟光活化蛋白誘導(dǎo)相變并產(chǎn)生無(wú)膜細(xì)胞器。它們還可以通過(guò)簡(jiǎn)單地關(guān)閉燈來(lái)撤消轉(zhuǎn)換。增加光強(qiáng)度和蛋白質(zhì)濃度使研究人員能夠進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)變。通過(guò)改變這些輸入，他們可以確定何時(shí)形成濃縮的液體蛋白質(zhì)液滴，以及可能與疾病相關(guān)的固體狀蛋白質(zhì)聚集體。

“OptoDroplet為我們提供了一定程度的控制，我們可以使用它來(lái)精確地繪制我們稱(chēng)之為活細(xì)胞中相圖的圖，”Brangwynne說(shuō)。“通過(guò)這種方式，我們開(kāi)始了解細(xì)胞如何利用它們的天然機(jī)器通過(guò)這種細(xì)胞內(nèi)相圖來(lái)組裝不同類(lèi)型的細(xì)胞器。”

該論文的第一作者是Yongdae Shin，他是Brangwynne的Soft Living Matter Group的博士后研究員，是普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程系的一部分。共同作者機(jī)械和航空航天工程系的Joel Berry和Mikko Haataja幫助開(kāi)發(fā)了用于理解細(xì)胞內(nèi)相行為的數(shù)學(xué)模型，而分子生物學(xué)系的Nicole Pannucci和Jared Toettcher是光遺傳學(xué)的專(zhuān)家，并幫助指導(dǎo)了分子設(shè)計(jì)。 optoDroplet蛋白質(zhì)。這項(xiàng)工作部分得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

利用小鼠和人類(lèi)細(xì)胞，研究小組在一個(gè)基因中拼接了一種光敏蛋白，這種蛋白來(lái)自一種稱(chēng)為小鼠耳水芹(或擬南芥)的植物，這是一種白菜和芥菜的親戚，是遺傳學(xué)研究的支柱。藍(lán)光暴露導(dǎo)致蛋白質(zhì)自我關(guān)聯(lián)，自我碾壓。

光敏標(biāo)簽融合到被認(rèn)為能夠驅(qū)動(dòng)活細(xì)胞相變的蛋白質(zhì)成分中。利用光線，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)蜷縮，模仿細(xì)胞中自然發(fā)生的凝結(jié)過(guò)程。“使用水蒸氣的類(lèi)比，你可以想到我們用激光來(lái)局部改變某些空氣區(qū)域的溫度，以便水滴凝結(jié)出來(lái)，”Brangwynne說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)反復(fù)提示蛋白質(zhì)凝結(jié)，然后通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉燈光來(lái)溶解。即使經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，該過(guò)程也證明是完全可逆的。然而，在高強(qiáng)度光或高濃度蛋白質(zhì)的情況下，研究人員創(chuàng)造了半固體凝膠。這些凝膠最初是可逆的，但隨著時(shí)間的推移，它們凝固形成不可逆的塊狀聚集體，類(lèi)似于某些疾病中發(fā)現(xiàn)的那些。

“我們已經(jīng)向optoDroplet展示了我們可以輕松組裝和拆卸相分離液體，它們似乎不會(huì)對(duì)電池造成任何問(wèn)題，”Brangwynne說(shuō)。“但凝膠狀組裝似乎更成問(wèn)題，因?yàn)樵诤芏嘌h(huán)中，它們會(huì)發(fā)展成持久的聚集體，細(xì)胞不再能夠處理這種聚集體，并且可能開(kāi)始破壞健康的生物過(guò)程。”

一個(gè)例子是稱(chēng)為FUS的蛋白質(zhì)。FUS蛋白對(duì)細(xì)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)受損的DNA。但是大量的基因突變可能導(dǎo)致FUS蛋白變得過(guò)于粘稠，導(dǎo)致肌萎縮側(cè)索硬化癥，也被稱(chēng)為盧格里格病。一種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，患者失去了自愿控制肌肉的能力，ALS的特征是神經(jīng)細(xì)胞中積聚的蛋白質(zhì)團(tuán)塊。這些團(tuán)塊可能源于病毒聚集的FUS或其他蛋白質(zhì)，而不是像動(dòng)態(tài)液滴一樣。亨廷頓氏病和阿爾茨海默氏癥也涉及堵塞細(xì)胞的蛋白質(zhì)塊，再次表明細(xì)胞中的異常相變與這些條件密切相關(guān)。

Edward Lemke是德國(guó)海德堡歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究員，他沒(méi)有參與細(xì)胞研究，他指出了optoDroplet的前景。

“optoDroplet靶向的蛋白質(zhì)是相分離蛋白質(zhì)的重要??組成部分，其中許多蛋白質(zhì)也與臭名昭著的疾病有關(guān)，”Lemke說(shuō)。“optoDroplet系統(tǒng)能夠以微創(chuàng)和高度可控的方式調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)這些蛋白質(zhì)的狀態(tài)，因此它可以提供有關(guān)它們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)其功能的新見(jiàn)解。”

Brangwynne及其同事期待繼續(xù)嘗試使用optoDroplet來(lái)更好地了解細(xì)胞的復(fù)雜行為。“這是我們正在做的基礎(chǔ)科學(xué)，回答有關(guān)細(xì)胞相變的基本問(wèn)題，”Brangwynne說(shuō)。“但我們希望這些見(jiàn)解不僅能揭示健康細(xì)胞的運(yùn)作方式，還能揭示它們?nèi)绾巫兊没疾?，最終可能治愈。”