折射率作为细胞核内动态蛋白质凝聚指示剂的新方法及其在生物物理机制研究中的意义

《Biophysical Reports》：Refractive index as an indicator for dynamic protein condensation in cell nuclei

本研究针对蛋白质凝聚态动态监测难题，创新性地利用折射率成像技术，在铁蛋白自组装模型中揭示了凝聚过程的光学极化特性变化。研究人员通过对比荧光成像，发现折射率能更敏感地指示可逆凝聚/解聚状态，为膜细胞器形成机制提供了新视角，对理解生物分子相分离（LLPS）具有重要物理意义。

　　

在生命科学的微观世界里，蛋白质如何通过动态聚集形成无膜细胞器（membrane-less organelles）一直是研究者关注的焦点。这种由弱多价相互作用（weak, polyvalent interactions）驱动的液态-液态相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）现象，能够显著提升局部生物分子浓度，从而调控细胞功能。然而，传统荧光成像技术（fluorescence imaging）在监测蛋白质凝聚状态时存在局限——它依赖标记分子，可能无法真实反映物理状态的快速变化。正是这一技术瓶颈，促使以色列魏茨曼科学研究所的Orlando Marin团队探索新的检测手段。

发表于《Biophysical Reports》的这项研究，另辟蹊径地利用折射率（refractive index） mapping作为蛋白质凝聚的指示剂。研究人员选取铁蛋白（ferritin）这一由24个亚基以八面体对称性（octahedral symmetry）自组装形成的模型系统，通过光激活凝聚实验与动力学对比分析，发现折射率变化能敏感捕捉到凝聚态的可逆转变。尤为值得注意的是，当荧光信号显示分子分散缓慢时，折射率已指示出快速解聚；而在长时光激活导致的慢速解聚过程中，折射率仍能可靠表征物理状态。这表明折射率可作为独立于荧光标记的本征探针，区分稀疏生物分子网络与具有连续介质特性的凝聚态。

关键技术方法包括：利用两种铁蛋白自组装系统构建可逆凝聚模型；通过折射率成像与荧光成像同步监测蛋白质凝聚/解聚动力学；结合光激活操控凝聚状态，对比分析光学信号与分子扩散速率。所有实验均基于体外重构系统，未使用活体样本。

折射率对凝聚态变化的敏感性

通过对比铁蛋白自组装系统在凝聚-解聚循环中的光学响应，研究发现折射率能早于荧光信号检测到快速解聚事件。例如在短时刺激下，折射率显示凝聚体迅速消散，而荧光强度仍维持较高水平，提示分子实际扩散速率与表观光学性质存在差异。

光激活凝聚中的动力学解耦

在长时蓝光激活诱导的凝聚实验中，折射率成像明确记录到缓慢的解聚动力学。与荧光信号相比，折射率变化更直接反映凝聚体的物理密度变化，表明其对于连续介质态（material continuum）的光学极化率（optical polarizability）具有独特响应。

稀疏网络与连续介质的区分

研究进一步提出，折射率的差异响应可能源于凝聚态的结构特性：稀疏生物分子网络（sparse biomolecular network）与高度紧密的连续介质对光的极化作用不同。折射率成像恰好能捕捉到这种本质差异，而荧光标记则受限于探针分布与猝灭效应。

结论部分强调折射率成像为蛋白质凝聚研究提供了互补于荧光技术的新维度。它不仅规避了标记引入的干扰，更能揭示凝聚体的物理本质——无论是动态形成的无膜细胞器，还是人工设计的自组装系统。该技术对于解析相分离的物理机制、开发新型生物材料具有推动作用，未来或可应用于活细胞中实时监测蛋白质聚集疾病相关过程。