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深圳大學(xué)劉洲 Nat. Commun.：通過自然蒸發(fā)構(gòu)筑多區(qū)室凝聚液滴細(xì)胞模型
2024-02-09  來源：高分子科技

  基于液-液相分離（LLPS）產(chǎn)生的無膜凝聚液滴是構(gòu)建區(qū)室化的一種重要方法。最近研究表明，像蒸發(fā)這樣的自然過程可以形成微區(qū)室，并將生物分子與外部環(huán)境隔絕。這些凝聚液滴不僅是現(xiàn)代細(xì)胞多層級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，而且可能在原始細(xì)胞的形成中發(fā)揮重要作用。它們可以充當(dāng)能夠濃縮RNA分子的無膜隔室，那么如何維持基于凝聚液滴的原始細(xì)胞的多層級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)于它們作為組織樞紐的功能十分重要。在該項(xiàng)工作中，利用蒸發(fā)中毛細(xì)流動(dòng)在液滴內(nèi)形成的流場(chǎng)駐點(diǎn)，防止凝聚液滴相互接觸，從而阻礙它們之間的融合，達(dá)到維持凝聚液滴作為獨(dú)立區(qū)室的目的；同時(shí)蒸發(fā)觸發(fā)了多重LLPS，形成了層級(jí)結(jié)構(gòu)的凝聚液滴，并能夠主動(dòng)募集RNA，對(duì)RNA世界假說提供了支撐。


圖 1. 在有機(jī)物潤(rùn)濕表面上自主蒸發(fā)的固著液滴示意圖


  示意圖展示了蒸發(fā)過程中的水分流失，溶質(zhì)的濃度顯著增加，形成多重分離型和締合型LLPS。最終在蒸發(fā)液滴邊緣處形成具有核殼結(jié)構(gòu)的凝聚液滴，并在流體動(dòng)力學(xué)的作用下維持穩(wěn)定。 


圖2. 多組分液滴蒸發(fā)過程中核殼結(jié)構(gòu)的形成以及各組分的分布。a）示意圖和明場(chǎng)圖像顯示了含有PEO、葡聚糖和凝聚液滴在液滴中的分層結(jié)構(gòu)，這些凝聚液滴由兩種帶相反電荷的蛋白質(zhì)（卵清蛋白和乳鐵蛋白）絡(luò)合。（b）熒光顯微圖像顯示凝聚液滴的位置，并給出特定位置的相對(duì)熒光強(qiáng)度。（c）熒光顯微圖像顯示了富含PEO和富含葡聚糖的對(duì)應(yīng)位置，以及特定位置的相對(duì)熒光強(qiáng)度。（d）示意圖和時(shí)間序列光學(xué)顯微圖像顯示了蒸發(fā)過程中核殼結(jié)構(gòu)的形成過程：（i）分離型LLPS產(chǎn)生富含葡聚糖的液滴，分散在富含PEO的連續(xù)相中;（ii）富含葡聚糖的液滴融合成較大的液滴;（iii）蛋白質(zhì)被富含葡聚糖的液滴募集，其濃度顯著增加，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的締合型LLPS形成;（iv）凝聚液液滴由于其液態(tài)特性而趨于融合，并最終形成穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu);（v）核殼結(jié)構(gòu)在干燥之前保持穩(wěn)定 


圖3. 由PEO和葡聚糖之間的分離型LLPS產(chǎn)生的ATPS液滴（不含蛋白質(zhì)）形態(tài)。研究了兩種情況：無柄液滴在（a）有機(jī)物潤(rùn)濕的基質(zhì)上蒸發(fā)，（b）空白的基質(zhì)上蒸發(fā) 


圖4. 停滯環(huán)的形成和對(duì)流毛細(xì)流形成和維持核殼衛(wèi)星艙的機(jī)理.（a）聚苯乙烯（PS）粒子在液滴內(nèi)向停滯環(huán)移動(dòng)，以及藍(lán)色直線上相應(yīng)的灰度值分布。（b）t=0 min（蒸發(fā)開始）和t=6 min處紫色熒光PS粒子分布的俯視圖和側(cè)視圖，以及相應(yīng)的熒光強(qiáng)度。（c）蒸發(fā)ATPS液滴的三維重建，其中顯示了高度z=42.48 μm的水平切片和液滴中間的垂直切片。（d）核殼結(jié)構(gòu)形成和維持機(jī)制的示意圖 


圖5. 熒光圖像表明核殼區(qū)室中對(duì)RNA的募集。（a）當(dāng)將RNA添加到多組分液滴中時(shí)，觀察到類似的核殼區(qū)室。（b）熒光圖像顯示了核殼區(qū)室和 RNA的分布位置，并給出了葡聚糖與RNA在特定位置的相對(duì)熒光強(qiáng)度


  在該項(xiàng)研究中，利用有機(jī)相對(duì)液滴的部分覆蓋會(huì)改變局部蒸發(fā)速率這一原理，促使液滴內(nèi)的流場(chǎng)中形成駐點(diǎn)。這些駐點(diǎn)對(duì)于具有核殼結(jié)構(gòu)凝聚液滴的形成以及之后的穩(wěn)定至關(guān)重要。解釋了基于凝聚液滴的核殼隔室如何在有機(jī)物潤(rùn)濕基底上無柄液滴的自發(fā)蒸發(fā)過程中的形成并維持相對(duì)穩(wěn)定。此外，為驗(yàn)證停滯環(huán)現(xiàn)象的普遍性，使用了其他方案來阻礙液滴邊緣的蒸發(fā)。例如，當(dāng)固著液滴在凹坑內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，也會(huì)觀察到類似的現(xiàn)象。這些結(jié)構(gòu)類似于封裝細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的真實(shí)細(xì)胞。最后證明了這些區(qū)室化的凝聚液滴可以積累RNA，為各種RNA類型的優(yōu)先分配及其有組織的生化反應(yīng)提供基礎(chǔ)。


  該項(xiàng)研究結(jié)果揭示了自發(fā)蒸發(fā)與多重分離型與締合型LLPS之間相互作用的現(xiàn)象。更重要的是，實(shí)驗(yàn)中的液滴在有機(jī)物潤(rùn)濕表面上自主蒸發(fā)，不需要復(fù)雜的手動(dòng)干預(yù)和設(shè)計(jì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下構(gòu)建和維持具有復(fù)雜細(xì)胞結(jié)構(gòu)的凝聚液滴細(xì)胞模型。該工作第一作者為深圳大學(xué)助理教授齊成，共同通訊作者為深圳大學(xué)副教授劉洲和孔湉湉。


  作者簡(jiǎn)介：劉洲，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院特聘研究員、博導(dǎo)。主要從事微流控技術(shù)、流體物理、軟物質(zhì)材料等方面的研究，在Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等研究領(lǐng)域重要期刊上發(fā)表論文50余篇。所獲榮譽(yù)包括日內(nèi)瓦國際發(fā)明展銀獎(jiǎng)、中國化學(xué)學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究二等獎(jiǎng)、深圳市優(yōu)青、深圳市高層次人才計(jì)劃B類，擔(dān)任中國化工學(xué)會(huì)微化工專委會(huì)青年委員等職務(wù)。


  論文信息：C. Qi, X. Ma, Q. Zeng, Z. Huang, S. Zhang, X. Deng, T. Kong*, Z. Liu*, Multicompartmental coacervate-based protocell by spontaneous droplet evaporation, Nature Communications, 15 (2024) 1107.

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45411-y

  下載：Dynamically Modulating the Dissymmetry Factor of Circularly Polarized Organic Ultralong Room-Temperature Phosphorescence from Soft Helical Superstructures

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