PNAS：进化模型预测了细胞内分子内的相互作用

来自德国马普动力学和自组织研究所(MPI-DS)和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种新的理论方法来研究由许多不同分子组成的混合物。他们分析了这些分子如何相互作用，从而可靠地形成不同的液滴，就像在活细胞中不断发生的那样。有了这个模型，基于许多相互作用的分子的特殊液滴形成可以第一次被预测。这项研究结果最近发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》上。

　　

理论物理学家David Zwicker和生物物理学家Liedewij Laan对探索生命的奥秘很感兴趣，特别是活细胞的基本工作原理。兹威克说:“我总是对细胞过程能正常工作感到惊讶，因为一个细胞由数千种不同的分子组成，它们需要一起工作，而不相互干扰。”科学家们开发了一个计算机模型，可以研究复杂的流体，比如细胞内的液体。Laan补充说:“尽管它们的化学和物理性质复杂，但细胞内的分子通常以液滴的形式组织。”她继续说:“通过我们的方法，我们能够重现这些液滴的形成过程，从而为研究这种机制的工作原理开辟了新的思路。”

生物细胞是极其复杂的机器，它依赖数千种不同的分子来工作和可靠地相互作用。为了协调这些分子，它们在细胞内被分成不同的隔间。由于环境和细胞的内部状态不断变化，它们必须形成和保持稳固。大多数众所周知的隔室，包括细胞核和线粒体，都被膜包围，这些膜作为屏障定义它们的形状和控制它们的组成。然而，许多较小的隔室不具有膜，因此往往表现得更动态。在动物、植物和细菌细胞中都发现了这样的细胞间隔。它们可以自发形成，参与的分子之间的相互作用控制它们的组成。

为了了解大量不同的分子是如何在这种无膜的隔间中组织起来的，兹威克和拉安从理论上研究了液滴形成的物理过程。到目前为止，基本的理论只被理解为两种粒子类型的简单情况，如油醋汁中的油与水分离。为了研究具有更多分子相互作用的更真实的细胞环境，研究人员引入了一种预测液滴组成的数值方法。

新的数值方法打开了回答关键问题的可能性，包括以稳健的方式形成多少不同的液滴。兹威克解释说:“关键的见解是，在数十亿年的进化过程中，细胞分子之间的相互作用已经优化，形成了正确的液滴。”为了在计算机中模拟这一过程，研究人员通过几代的突变和选择来调整相互作用，直到形成一定数量的液滴。有趣的是，许多不同的相互作用几乎完美地结束在预先设定的不同数量的液滴。Laan评论说:“我们很兴奋地发现，我们实际上可以重现这些混合物。然而，在科学上更令人兴奋的事实可能是，我们还不知道这到底是如何工作的。但现在，我们离试图解开生命的秘密更近了一步。”

兹威克强调，他们的研究是生物学更大范式转变的一部分:“到目前为止，研究人员倾向于研究相当强的相互作用，例如两种蛋白质之间的相互作用，因为这是相当强大的，因此更容易研究。如今，由于相互作用弱得多而形成的液滴正受到越来越多的理论和实验研究，因为它们似乎在细胞内发挥着重要作用。然而，它们的分析更具挑战性，因为这些微弱的相互作用可能会受到温度、酸度、盐浓度和许多其他因素的干扰。”目前的工作表明，复杂的行为，如液滴的形成，甚至可以从这种微弱的相互作用中产生。

文章标题

Evolved interactions stabilize many coexisting phases in multicomponent liquids