細胞內部就像一棟有很多房間的房子。被稱為細胞器的微小分隔間是細胞內版本的器官，如身體中的肝臟或胰腺。每個細胞器都被分配了自己專門的任務。例如，有細胞核，細胞 DNA 的所在地，產生能量的線粒體，以及組裝完整蛋白質的核糖體。
一個不太為人所知的細胞器是不起眼的液泡，長期以來被認為是細胞垃圾桶。傳統上，液泡以清理細胞而聞名，透過分解和處理舊的或有缺陷的蛋白質。它們透過在其內部維持酸性環境來實現這一點。在液泡的膜上駐留著一系列蛋白質泵，這些泵將正氫離子 (H+) 從周圍的胞質溶膠移動到液泡中，從而增加其酸度。
最近的研究表明，液泡不僅僅是細胞的垃圾場。事實上，它們在細胞整合關於其營養狀況的資訊的方式中發揮著至關重要的作用，並且它們根據細胞的需求釋放或隔離營養物質，這些需求在整個細胞週期中都會變化。
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液泡利用質子梯度（膜內外酸度差異）為其表面被稱為氨基酸轉運蛋白的蛋白質提供能量。轉運蛋白使液泡能夠將氨基酸移動到內部並隔離它們——然後在細胞週期的特定時間點釋放它們，此時細胞即將分裂以產生子細胞。
Alphabet 旗下位於舊金山的 Calico Labs 的一個研究團隊最近表明，為了實現這一點，液泡在每個細胞週期中都會經歷劇烈的 pH 值振盪——pH 值是衡量細胞內部酸度的指標。這些 pH 值振盪協調氨基酸的釋放，正好在需要它們為子細胞提供營養時。否則不受控制的氨基酸釋放可能會毒害線粒體，導致代謝缺陷以及與疾病和衰老相關的其他問題。因此，研究人員說，pH 值振盪——以及它們隨著細胞衰老而發生的 breakdown——可能是理解一大類衰老疾病的關鍵。
紐約州立大學上州醫科大學的生物化學家 帕特里夏·凱恩 解釋說，以前每個人都認為液泡是一個終端隔室，物質在那裡被降解。她研究液泡 ATPase，即向液泡中泵入質子的酶。現在我們看到，液泡不僅僅是廢物處理的終端隔室，還是細胞在需要時（例如在細胞生長和分裂期間）可以利用的營養物質的儲存庫。
比利時魯汶天主教大學研究酵母營養感知和訊號傳導的 喬里斯·溫德里剋剋斯 補充說：“pH 值是非常有趣的，而且是很長一段時間以來被忽視的東西。” “困難在於‘你如何測量細胞器中的 pH 值？’現在我們有工具可以做到這一點，”他解釋說，並提到了 Calico Labs 團隊開發的一種分子，該分子的熒光水平與酵母液泡的酸度相對應。這使得研究人員能夠即時檢測和跟蹤液泡中 pH 值的變化。
大約十年前，當時都在弗雷德·哈欽森癌症研究中心的 丹·戈特施林 和 亞當·休斯 發現，衰老的酵母細胞的液泡慢慢失去維持其低 pH 值的能力。休斯和戈特施林觀察到，液泡酸度的喪失會導致線粒體功能障礙和衰老（酵母細胞的壽命通常約為 30 個細胞分裂週期）。防止液泡酸度的喪失減少了線粒體功能障礙並延長了酵母細胞的壽命。
研究人員發現，液泡酸度的喪失意味著液泡膜上的氨基酸轉運蛋白無法完成其工作。這導致氨基酸不受控制地釋放到胞質溶膠中，從而毒害線粒體。過多的氨基酸 半胱氨酸“搞砸了” 對線粒體至關重要的鐵硫簇的形成。（線粒體需要鐵來製造攜帶能量的分子三磷酸腺苷，即 ATP。）沒有鐵硫簇，線粒體功能會受到嚴重損害：線粒體開始產生大量活性氧，從而導致衰老和 DNA 修復缺陷。
現在在猶他大學領導一個團隊的亞當·休斯說，很明顯，細胞不僅僅是將液泡用作儲存庫。液泡不僅在需要時提供氨基酸。同樣重要的是，液泡在不需要氨基酸時隔離氨基酸，以防止它們造成破壞。
現在是 Calico Labs 傑出首席研究員的戈特施林領導的一個團隊現在發現，酵母細胞中的液泡不僅隨著細胞衰老而逐漸失去酸度，而且還顯示出驚人的動態 pH 值振盪，每次細胞分裂都會發生。波動的 pH 值協調氨基酸釋放與細胞週期不同階段的不同代謝需求。研究人員開發了一種靈敏的化學感測器，首次視覺化細胞分裂期間液泡內部的這些振盪。
研究人員觀察到，當新的細胞芽首次出現時，液泡 pH 值較低（非常酸性），然後在子細胞與母細胞分離之前升高——變得更鹼性。透過這種方式，液泡可以精確控制何時在整個細胞週期中釋放氨基酸，並可以在子細胞出芽之前立即為其提供營養。
戈特施林解釋說：“分裂細胞在細胞分裂期間需要突發性的營養物質。” 但當細胞不分裂時，細胞需要安全地隔離氨基酸，以避免損害線粒體。
為了探究 pH 值振盪是如何控制的，研究人員嘗試了不同的方法來操縱它們。例如，該團隊發現，當酵母細胞在沒有氨基酸的情況下生長時，pH 值振盪被消除。當研究人員將氨基酸添加回生長培養基時，它們可以恢復。同樣，一種抑制 TOR（雷帕黴素靶蛋白）訊號傳導（主要的營養感知細胞途徑之一）的藥物中斷了 pH 值振盪。研究人員進一步發現，在缺乏 pH 值振盪的酵母突變體中，細胞上調了參與氨基酸生物合成的酶。這表明細胞感知到氨基酸飢餓。但考慮到它們無法從液泡中釋放任何隔離的氨基酸，它們唯一的選擇是從頭開始製造氨基酸。
儘管這些 pH 值振盪是細胞協調營養可用性與細胞週期的令人興奮的機制，但仍有許多未解決的問題。例如，尚不清楚這些 pH 值振盪是如何精確調節的，也不完全清楚為什麼細胞會隨著衰老而失去控制液泡中 pH 值振盪的能力。弄清楚這個過程是如何崩潰的可能為如何幹預和預防對線粒體功能和 DNA 修復的級聯負面影響提供線索。
戈特施林說：“我們看到 [這個過程] 崩潰了，我們想要弄清楚的事情之一是‘它是如何崩潰的？’” “這就是為什麼我們對正在被感知 [以引起這些振盪] 的東西以及然後‘這種感知是如何崩潰的？’”感到興奮。
溫德里剋剋斯說，即使問題仍然存在，毫無疑問，這些振盪——以及它們隨著年齡增長而消失——是理解各種衰老疾病的關鍵，他使用酵母作為研究阿爾茨海默病、帕金森病和癌症的模型。液泡酸度喪失可能導致疾病的機制有很多。首先，酸度的喪失阻止細胞清除舊的或有缺陷的蛋白質，它們的積累可能導致阿爾茨海默病的特徵性蛋白質斑塊。此外，酸度的喪失和隨之而來的氨基酸釋放毒害線粒體，導致線粒體代謝缺陷。產生過多的活性氧會損害 DNA 並導致突變，從而滾雪球般地導致更多的細胞缺陷。
溫德里剋剋斯懷疑這些 pH 值振盪可能不僅限於液泡，因為該細胞器與線粒體和稱為內質網的膜網路密切相互作用。透過這個過程，不同型別的細胞器相互溝通和交換營養物質。如果其他細胞器中的 pH 水平與液泡中的 pH 水平不同步，那將是令人驚訝的。這將對細胞功能產生廣泛的影響。細胞酶各自都有一個狹窄的 pH 值範圍，在其中它們可以最佳地發揮功能，因此 pH 值振盪將導致不同細胞隔室中的酶活性發生變化，有時是劇烈的變化。溫德里剋剋斯說：“許多疾病起源於細胞器功能障礙，但這種功能障礙在許多情況下可能與 pH 值有關。”