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| 哈工大基于人工微区室内多相微滴分离实现对不同生物分子的空间组装排布 |
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近日，哈尔滨工业大学黄鑫教授团队在Chem期刊上发表一篇题为“Programmable Spatial Organization of Liquid Phase Condensations”的研究成果。
围绕生命功能组装体，发展变革性技术或理论方法，从化学角度揭示生命现象理解生命规律，课题组提出了基于生物分子相分离的策略在人工微区室中构筑多相共存微滴，通过不同的外部环境刺激实现了对多室微滴结构可逆空间重构以及相关生物反应进程的程序性调控。论文第一作者是博士生李俊博。
真核细胞中的许多无膜液体状微区室产生于液/液相分离现象（LLPS），这些独立的液体微滴可选择性捕集酶或底物分子，从而起到促进生化反应的作用。目前，细胞内的相分离可通过化学手段在人工微区室内构筑液体状凝聚体微滴来实现仿生构筑。然而，真实的细胞环境相当复杂，细胞内的无膜微区室常具有多个液体或固体状无膜子区室，可实现不同生物分子在空间上的分离，并能同时进行不同的反应过程而互不干扰。此外，细胞内的生物分子液体微滴也被认为与病理性蛋白质聚集体有关，其数量、大小及理化性质都将影响生物功能。因此，如何在人工微区室中构筑具有多层次性的生物分子凝聚体微环境，从而揭示真实细胞中多相共存液滴对生物大分子的空间定位及对生物化学反应的调控及影响机制是亟待解决的科学问题。
近日，哈尔滨工业大学黄鑫教授课题组将凝聚体和葡聚糖（Dextran）共包载于蛋白质囊泡中，通过不同分子量的聚乙二醇（PEG）引发凝聚体液滴周围生成Dextran富集相，实现了人工微区室中多相共存液滴结构的制备及形貌调控（图1）。该多相共存微滴具有离子强度、温度及PEG浓度响应性，通过外部环境变化可实现不同空间重构，进而对不同的酶反应速率调控。
图1：人工微区室中生物大分子富集的多相微滴的空间位置组装排布。
多相共存液滴具有不同的性质（图2）。利用荧光漂白恢复实验对凝聚体相和Dextran相的扩散系数和粘度值进行了测定，其中，凝聚体相的扩散系数为0.03 µm2s-1，粘度值为244 mPa.s；而Dextran相的扩散系数为0.32 µm2s-1，粘度值为30 mPa.s。该发现实现了不同生物大分子在多相微滴中具有不同的空间定位，脱氧核糖核酸（DNA）分子被捕集于凝聚体相，辣根过氧化物酶（HRP）被富集于Dextran相，经过聚乙二醇化的葡萄糖氧化酶（PEGyGOx）则主要位于周围PEG环境相中。
图2：蛋白质囊泡中多相共存液滴的构筑、性质研究及对不同生物大分子的空间定位。
利用不同分子量的PEG可实现对多相共存液滴的形貌调控（图3）。随着PEG分子量的减小，多相共存液滴由完全吞没构型（Complete engulfing）、部分吞没构型（Partial-engulfing）转变为花瓣状构型（Petal-like）。研究表明，不同PEG分子量下三相之间（凝聚体相、Dextran相和PEG相）界面张力的共同作用是导致空间排布形貌差异化的根本原因。
图3：基于界面张力调控的多相共存液滴空间形貌。
多相共存液滴可响应外部环境中的离子强度及PEG浓度变化实现连续可逆解离及重生（图4）。在此过程中，HRP随多相液滴的形貌变化而在空间上具有不同的位置分布，进一步实现了酶反应速率的程序性调控。此外，Dextran相对凝聚体中的DNA分子具有保护作用，有效减缓了外部入侵的DNase对DNA分子的水解作用。
图4：离子强度和PEG浓度调控多相共存液滴的可逆重构及其空间形貌重构对生物反应的调控。
该研究提出一种基于液/液相分离构筑多级人工微区室的新方法，不仅为人工多区室真核细胞模型的构筑奠定了基础，也将有助于进一步理解细胞内复杂的LLPS过程。这种具有不同性质的多区室体系将在功能性组分的空间装载、生物大分子负载物的程序性释放以及生物级联反应的时空调控等方面具有巨大的应用潜力。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.11.011
