近年來(lái)，隨著新的生物結(jié)構(gòu)的作用越來(lái)越清晰，人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)部的世界變得更加有趣。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為細(xì)胞中最重要的操作發(fā)生在細(xì)胞器內(nèi)。伊利諾伊大學(xué)香檳分校伊利諾伊大學(xué)物理學(xué)教授阿列克謝·阿克西姆捷涅夫(Aleksei Aksimentiev)解釋說(shuō)：“它們?cè)谀抢锇l(fā)揮某些功能。例如，線粒體會(huì)產(chǎn)生一切運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量。” “它們的共同點(diǎn)是它們被脂質(zhì)膜包圍。人們最近發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞器中沒(méi)有脂質(zhì)雙層。它們以液滴的形式自發(fā)地聚集。這些細(xì)胞器具有特殊的功能。 。”

近年來(lái)，隨著成像能力的提高，這些無(wú)膜細(xì)胞器的作用，發(fā)生和行為變得更加清晰。在2017年，它們被命名為：生物冷凝物。人們認(rèn)為它們?cè)贒NA修復(fù)和衰老中起作用，研究人員認(rèn)為，許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病與凝結(jié)液無(wú)法正常工作有關(guān)，包括肌萎縮性側(cè)索硬化癥或ALS，其中神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生分解，導(dǎo)致肌肉功能喪失。

他解釋說(shuō)：“假設(shè)您有DNA，它突然斷裂。這通常是一件很糟糕的事，因?yàn)樗鼰o(wú)法復(fù)制，但是會(huì)有一種機(jī)器來(lái)修復(fù)它。” “冷凝物的氣泡奇跡般地僅吸引了修復(fù)DNA所需的分子。存在各種不同的冷凝物，它們都以某種方式吸收了正確的分子。”

這些無(wú)膜細(xì)胞器是如何自發(fā)形成的?他們?nèi)绾握心计渌肿觼?lái)幫助他們?

該過(guò)程的物理過(guò)程看起來(lái)類(lèi)似于相分離，就像油和水在合適的條件下自發(fā)形成液滴的方式一樣，但有一些區(qū)別。在正常的相分離中，溫度通常會(huì)促使分離。在生物學(xué)中，這是濃度的變化。

阿克西緬捷夫說(shuō)：“我們不知道它是如何工作的。” “我對(duì)這種募集的過(guò)程以及分子如何識(shí)別其他分子特別感興趣。”

Aksimentiev正在全球最快的德克薩斯州高級(jí)計(jì)算中心(TACC)使用Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)，以更好地了解這一過(guò)程。在過(guò)去的十年中，他和其他人開(kāi)發(fā)了使用分子動(dòng)力學(xué)模擬在原子水平上探索生物系統(tǒng)行為的工具和方法。

Aksimentiev能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)相互作用原子的生物系統(tǒng)，其時(shí)間為微秒甚至毫秒，這是生物系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)標(biāo)。當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行更大，更快的仿真，并允許科學(xué)家提出和回答新問(wèn)題。

即使按照該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，生物凝結(jié)物也很難進(jìn)行計(jì)算研究。與其他有序系統(tǒng)(如具有已知?jiǎng)傂越Y(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì))或無(wú)序系統(tǒng)(如水)不同，生物冷凝物是所謂的“部分無(wú)序”(一種特別難以模擬的結(jié)構(gòu))。

Aksimentiev和研究生Han-Yi Chou于2020年5月在《物理化學(xué)快報(bào)》上發(fā)表文章，描述了Frontera上的粗粒分子動(dòng)力學(xué)模擬，該模擬繪制了相圖(該圖表示了物質(zhì)在不同溫度條件下的物理狀態(tài))和壓力)一種特定的生物分子冷凝物-肉瘤(FUS)中融合。FUS是一種核DNA / RNA結(jié)合蛋白，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的不同步驟，包括轉(zhuǎn)錄，剪接和mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的資助。

研究人員表明，基于粒子的分子動(dòng)力學(xué)模型可以重現(xiàn)FUS冷凝物的已知相分離特性，包括其臨界濃度和對(duì)突變的敏感性。

他們還表明，他們可以使用鏈崩潰理論來(lái)確定冷凝物的熱力學(xué)性質(zhì)，并將其與單個(gè)冷凝物分子形狀的變化聯(lián)系起來(lái)。

他們發(fā)現(xiàn)，具有所有復(fù)雜的分子間和分子間相互作用的生物凝析物的行為可以通過(guò)聚合物物理模型來(lái)描述。這使得計(jì)算機(jī)建模成為揭示這些仍然神秘的細(xì)胞角色的行為的有用工具。

Aksimentiev的研究為將來(lái)的研究奠定了基礎(chǔ)，該研究將闡明驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜的生物冷凝物中的液滴形成的分子機(jī)制，例如修復(fù)RNA的液滴。這項(xiàng)工作是漫長(zhǎng)道路上邁出的第一步，可以充分闡明細(xì)胞中生物冷凝物的奧秘-慢慢發(fā)現(xiàn)的自然界的另一招。