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

長期以來，人們認為細胞中最重要的操作發(fā)生在細胞器內(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：“它們在那里發(fā)揮某些功能。例如，線粒體會產(chǎn)生一切運轉(zhuǎn)所需的能量。” “它們的共同點是它們被脂質(zhì)膜包圍。人們最近發(fā)現(xiàn)，細胞器中沒有脂質(zhì)雙層。它們以液滴的形式自發(fā)地聚集。這些細胞器具有特殊的功能。 。”

近年來，隨著成像能力的提高，這些無膜細胞器的作用，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。人們認為它們在DNA修復(fù)和衰老中起作用，研究人員認為，許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病與凝結(jié)液無法正常工作有關(guān)，包括肌萎縮性側(cè)索硬化癥或ALS，其中神經(jīng)細胞發(fā)生分解，導(dǎo)致肌肉功能喪失。

他解釋說：“假設(shè)您有DNA，它突然斷裂。這通常是一件很糟糕的事，因為它無法復(fù)制，但是會有一種機器來修復(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。”

這些無膜細胞器是如何自發(fā)形成的?他們?nèi)绾握心计渌肿觼韼椭麄?

該過程的物理過程看起來類似于相分離，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，溫度通常會促使分離。在生物學(xué)中，這是濃度的變化。

阿克西緬捷夫說：“我們不知道它是如何工作的。” “我對這種募集的過程以及分子如何識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計算中心(TACC)使用Frontera超級計算機，以更好地了解這一過程。在過去的十年中，他和其他人開發(fā)了使用分子動力學(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)實環(huán)境中模擬具有數(shù)百萬個相互作用原子的生物系統(tǒng)，其時間為微秒甚至毫秒，這是生物系統(tǒng)運行的時標(biāo)。當(dāng)今的超級計算機可以進行更大，更快的仿真，并允許科學(xué)家提出和回答新問題。

即使按照該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，生物凝結(jié)物也很難進行計算研究。與其他有序系統(tǒng)(如具有已知剛性結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì))或無序系統(tǒng)(如水)不同，生物冷凝物是所謂的“部分無序”(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》上發(fā)表文章，描述了Frontera上的粗粒分子動力學(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)基因表達的不同步驟，包括轉(zhuǎn)錄，剪接和mRNA轉(zhuǎn)運。該研究得到了美國國家科學(xué)基金會和美國國立衛(wèi)生研究院的資助。

研究人員表明，基于粒子的分子動力學(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突變的敏感性。

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

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聚合物物理模型來描述。這使得計算機建模成為揭示這些仍然神秘的細胞角色的行為的有用工具。

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