细胞凝聚物帮助调节细胞质的电化学环境

在活细胞中，对电化学环境的调节被认为是由离子通道管理的，离子通道是位于细胞膜上的蛋白质复合物，具有明确的形状。因此，令人惊讶的是，电化学环境也是由与离子通道完全不同的物体来管理的——这些物体不受束缚地漂浮在细胞质中，就像在一个微型熔岩灯里一样。而且，就像熔岩灯的内容物一样，这些物体是可变形的斑点。

这些团状物，更确切地说是生物分子凝聚物，是液体状的，自组装的，无膜束缚的，相分离的隔间。人们已经知道它们会产生局部影响。例如，生物分子凝聚物可以分离或聚集某些分子，阻碍或促进所述分子的活性，通常是蛋白质和核酸。此外，生物分子凝聚物可以提供一种替代能源，可能为生物化学的某些方面提供动力。

现在，由于杜克大学和圣路易斯华盛顿大学的研究人员的工作，我们知道生物分子凝聚物也可以产生非局部效应。具体来说，当生物分子凝聚物形成时，它们可以产生电位梯度，直接影响细胞质pH和膜电位，这些特性反过来影响细胞的整体特性和结果。在杜克大学和华盛顿大学研究小组研究的细菌细胞中，这些全球特征包括对抗生素的耐药性。

详细的研究结果发表在《Cell》杂志上，题为“生物分子凝聚体调节细胞电化学平衡”的文章。

“由于被动的环境影响，凝结物的形成……放大了细胞-细胞电化学特性的可变性，”该文章的作者报告说。电化学平衡的调节进一步控制了细胞与环境的相互作用，从而直接影响了细菌在抗生素胁迫下的生存。凝结物介导的细胞内电化学平衡的转变驱动了全球基因表达谱的变化。”

“我们的研究表明，冷凝物对细胞的影响远远超出了直接的物理接触，几乎就像它们与细胞与环境的相互作用有一种无线连接，”杜克大学的Lingchong You说，他是该研究的两位资深作者之一。“除了展示这种连接背后的电机制外，我们还证明了凝聚物的形成可以使细胞对某些类型的抗生素更耐受，而对其他类型的抗生素更敏感。”

“这可能只是冰山一角，”该研究的另一位资深作者、杜克大学的Ashutosh Chilkoti补充道。“我们预计这些电位效应会通过细胞行为以各种各样的方式表达出来。”

冷凝物的作用有点像海绵，在形成时吸收各种蛋白质、酶、离子和其他生物分子，同时排除其他生物分子。如果它们在胞室中捕获了足够多的离子，使其带正电荷或负电荷，这种不平衡必然会反映在它们周围的细胞环境中。

这种静电活动为生物凝聚物的形成提供了一个手柄，从而影响细胞膜的电势和细胞内的电化学环境。由于这些环境因素对许多生物过程至关重要，它为这些不起眼的斑点提供了一种机制，可以直接影响细胞与周围环境的相互作用。

该研究的主要作者、华盛顿大学生物医学工程助理教授Yifan Dai解释说:“即使是少量的这些凝聚物集中分布在远离细胞膜的地方，也会产生连锁反应，从而改变这种整体特性。这篇论文表明，这些影响是无法逃避的。只要这些微小的斑点形成，许多事情都会受到影响，甚至是全球范围内的基因调控。当我看到这一点时，我感到非常震惊。”

为了证明这一点，研究人员努力证明这种现象会影响细菌与某些抗生素相互作用的生存能力。研究人员通过以正确的方式对大肠杆菌菌落施加压力或操纵凝聚形成蛋白质的基因表达，使它们形成内部凝聚体。然后，他们测试了细胞膜上产生的电荷，并将它们暴露在抗生素中。

结果表明，凝聚物的形成导致一些细胞膜带更多的负电荷，这直接影响到细胞是否与抗生素反应，因为它们也是带电粒子。但研究人员表示，这只是这条研究路线的开始，因为许多生化过程都依赖于细胞膜内的电位。

“我们的工作揭示了凝聚物在调节整体细胞生理中的作用，虽然我们还没有对细胞如何利用这种活动来调节它们的功能有一个具体的机制理解，但它确实发生了，这是一个重大发现。”