所有生物體都由細胞構成，細胞是生命的最小單位。植物和動物擁有多達數萬億個細胞協同工作，產生更加複雜的組織和功能。細胞內有細胞器，或稱小器官，執行特定的工作。例如，植物和動物細胞都有線粒體，產生能量，以及包含大部分遺傳資訊並充當控制中心的細胞核。這些廣為人知的細胞器被膜包圍，以維持其形狀並將其與填充細胞的液體細胞質分隔開。
但是，這種關於細胞的教科書描述，將工作整齊地劃分為有膜包裹的結構，是不完整的。並非所有細胞器都有膜，在過去十年中，生物學家逐漸意識到無膜細胞器——例如濃縮蛋白質或其他生物分子的微小液滴——可能比以前認識到的更豐富，並在細胞功能中執行更多樣化的任務。科學家們將這些液滴稱為生物分子凝聚物，類似於潮溼的日子裡冷水杯上凝結的水滴。
它們的物理特性有點神秘。為什麼這些小工不需要壁來保持其內容物，它們如何保持其元素與周圍的細胞質分離？通過了解凝聚物如何形成和運作，我們希望最終弄清楚它們的作用。
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這項研究仍在興起，但科學家認為這些液滴在基因調控、細胞分裂和細胞內物質運輸方面發揮著重要作用。甚至有跡象表明，生物分子凝聚物在與人類疾病相關的細胞過程中很重要，包括肌萎縮側索硬化症 (ALS)和其他神經退行性疾病。然而，到目前為止，關於生物分子凝聚物的大部分證據都來自試管實驗。在未來幾年，研究人員的目標是瞭解這些液滴如何在更復雜的活細胞環境中發揮作用。隨著我們不斷發現新的凝聚物型別並揭示有關其用途的新線索，我們希望甚至可能找到一個可以描述所有這些凝聚物的通用理論。
在顯微鏡下，生物分子凝聚物看起來像漂浮在充滿細胞器和其他結構的細胞質海洋中的微小物體。儘管懸浮在這種液體中，它們本身卻像液體一樣——它們呈球形，當用微量移液管戳時會變形。當兩個液滴接觸時，它們會合併成一個。最近關於其可能生物學意義的發現引起了人們對生物分子凝聚物如何形成的興趣。對於像我這樣的生物物理學家來說，這看起來像一個熱力學問題。
熱力學是物理學的一個分支，關注熱與其他形式能量之間的關係。其原理適用於從化學反應到氣象學的一切事物。就我們的目的而言，熱力學描述了液-液相分離——將流體劃分為具有不同濃度和組成的兩個隔室（或相）。一個經典的例子是油和水。如果我將油倒入一杯水中，起初這兩種液體會有些混合。然而，幾分鐘後，它們會分離並形成兩個相：一個富含油且幾乎不含水，另一個包含水且幾乎不含油。相反，熵佔優的情況是牛奶和咖啡的混合，它們會充分混合。
熱力學告訴我們，這種相分離是熵和能量之間競爭的結果。熵是系統中無序的量；它傾向於油和水的均勻混合。能量包括每種分子中化學鍵所含的能量以及分子之間相互作用的能量。在這種情況下，油分子相互作用的能量低於油和水分子相互作用的能量，這驅使油和水分離成不同的層。分子之間相互作用的能量減少超過了熵保持均勻混合的相反貢獻。
當蛋白質、DNA 或 RNA 等分子以高濃度聚集在一起時，細胞內部可能會發生類似的事情。這些分子可能會凝聚成微小的液滴，因為它們聚集在一起時能量較低，而不是分散在整個細胞質中。但是，與油和水的分離或水杯外部形成的液滴不同，生物分子凝聚物的行為不能僅用熱力學來解釋。純粹由熱力學驅動的相分離應該是穩定的：一旦油和水在玻璃杯內分離，它們將永遠保持這種狀態。但在細胞內部，許多凝聚物只是暫時存在的。例如，蛋白核是動態結構，在細胞分裂之間溶解和重新形成。它們對於藻類將陽光轉化為能量的光合作用過程至關重要。
蛋白核是最早為人所知的生物分子凝聚物之一。1782 年，丹麥博物學家和科學插畫家奧托·弗雷德里克·穆勒觀察並繪製了綠藻中的小點，用當時有限的技術捕捉到了這些結構。後來，在 19 世紀 30 年代，德國生理學家魯道夫·瓦格納和加布裡埃爾·瓦倫丁分別報告了他們對另一種生物分子凝聚物的觀察。那時科學家們開始意識到細胞是生命的基本單位。儘管當時顯微鏡相對粗糙，瓦格納和瓦倫丁還是能夠辨別神經元細胞核內的微小結構。感謝後來的研究，我們現在知道它們是核仁或“核內的核”，核仁是構建核糖體的結構，核糖體是將 RNA 序列轉化為蛋白質的分子機器。但當時瓦格納和瓦倫丁對核仁的功能知之甚少。後來，在美國生物學家埃德蒙·B·威爾遜發表在 1899 年《科學》雜誌上的一篇論文中，他提出細胞的細胞質不是均勻的液體，而是含有懸浮液滴的“不同化學性質”的複雜液體混合物。儘管威爾遜缺乏直接證據來支援這一觀點，但他的模型非常準確，並且仍然是我們現代細胞生物學理解的一部分。
一個多世紀過去了，我們才獲得了更深入的認識。顯微鏡技術的進步發揮了重要作用，它使生物學家能夠放大並即時觀察細胞內的事件展開，而不是隻在靜態影像中看到它們。在 2009 年的一項里程碑式研究中，研究人員檢查了秀麗隱杆線蟲（一種實驗室研究的常用物種）胚胎細胞中的無膜細胞器，稱為 P 顆粒。P 顆粒含有蛋白質和 RNA，有助於確定哪些細胞最終在早期胚胎髮育中成為精子和卵子。使用熒光染料，科學家們發現蛋白質在 P 顆粒內快速移動，表明它們混合良好，並構成與細胞質分離的不同相。此外，研究人員發現 P 顆粒是圓形的，並且像液體一樣變形。當兩個液滴彼此靠近時，它們會融合在一起。這是關於生物分子凝聚物可以在活細胞內形成的一些最早的直接證據。
自從這項發現以來，其他團隊發現在各種型別的細胞中都會出現生物分子凝聚物。儘管在許多情況下這些凝聚物的生物學功能尚不清楚，但新興的圖景表明，細胞使用相分離作為一種一次控制多個重要生物過程的方法。更多地瞭解凝聚物如何形成的物理學可以幫助我們更清楚地瞭解它們的作用。
我透過迂迴的方式進入了物理學領域。我以生物學專業的身份進入大學，學習了細胞生物學、遺傳學、生態學和進化論的入門課程。我對像細胞這樣小的東西如何如此複雜感到著迷。但我也必須學習入門物理課程，並且被物理學的定量性質所吸引。有些計算需要花費數頁才能得出解決方案。我發現這個過程很有吸引力，但入門物理問題中的汽車碰撞和擺動的鐘擺並沒有啟發我。我夢想著用物理定律定量地研究生物學。
我繼續在加州大學伯克利分校攻讀研究生。在我的博士學位即將結束時，我開始了現在是我主要研究專案之一的研究，即研究細胞內部的相分離。我的一項工作涉及在早期發育中在我們免疫系統的關鍵組成部分 T 細胞內部形成的凝聚物。構成凝聚物的蛋白質被稱為 T 細胞啟用連線蛋白 (LAT)，它在發育和感染期間調節關鍵的訊號通路。LAT 連線到細胞膜的內部，並在膜內形成凝聚物，這本質上是一種二維液體。我在加州大學伯克利分校的合作者一直在研究LAT 凝聚物如何在試管實驗中形成，將 LAT 分子附著在人造膜上。他們發現，這個過程需要將“膠水”蛋白新增到膜另一側的溶液中。這些膠水蛋白與 LAT 的單個分子結合，並將它們與其他 LAT 分子連線起來，以模擬活細胞中的相互作用。
我有幸與這些研究人員合作進行了一項最近的研究，他們測量了在將膠水蛋白新增到LAT均勻溶液後形成凝聚物所需的時間。他們發現這種相變時間是溫度的函式。作為一名理論家，我著手瞭解決定這一時間尺度的因素。在加州大學伯克利分校的導師、化學家大衛·利默的指導下，我開發了一個數值模型，其中包含了相關的生物學資訊，例如LAT分子彼此連線並在膜表面擴散的速度，以及每個LAT分子可以與其他LAT分子形成的最大連線數。在我們的模擬中，LAT在凝聚過程的開始階段會形成10到20個蛋白質的微小簇。在中間時間尺度上，這些簇開始融合在一起形成纖維狀網路。最終，這個網路會凝結成圓形的斑點，並出現兩個不同的相——一個富含LAT，另一個幾乎不含LAT但含有大量其他蛋白質。在這個過程的最後一步，也是耗時最長的一步，纖維狀結構中可用的結合位點非常少，它們必須緩慢移動和彎曲才能使剩餘的結合位點可用。我們對LAT簇的生長和簇內分子動力學的模擬結果與我的合作者進行的實驗非常吻合。我們的工作共同展示了一種特殊的凝聚物如何在細胞中形成，並具有維持生命的功能。
我目前正在研究的另一個領域是生活在世界各地的土壤和淡水中、從太陽獲取能量的綠藻內的相分離。正如陸地植物一樣，這個過程——光合作用——依賴於葉綠體內的綠色色素分子。但與陸地植物不同，這些綠藻的每個葉綠體內都有一個稱為類蛋白體的生物分子凝聚物，其中含有高濃度的酶，這些酶可以將空氣中的二氧化碳轉化為糖類以獲取能量。我想了解這些凝聚物形成的生物物理學原理。透過與實驗室研究類蛋白體的生物學家合作，我正在研究如何調整這些生物分子凝聚物的組成和大小，以實現特定的生物學功能。我們希望這項工作有一天能讓我們對陸地植物進行基因工程改造，使其產生類蛋白體，這或許可以使它們在陽光不足的地區生長。
最近，科學家們開始更好地瞭解細胞內液滴是如何形成的。我們知道，當蛋白質聚集在一起所需的能量小於它們均勻分散在細胞質中所需要的能量時，就會出現凝聚物。這種情況似乎透過兩種主要機制發生。一種涉及具備促進化學鍵形成的適當條件，從而使單個蛋白質分子可以彼此結合。
形成凝聚物的第二種熱力學機制涉及含有所謂的內在無序區域（IDR）的蛋白質，或者構成蛋白質的氨基酸序列高度重複的區域。這些IDR可能包含帶正電荷或負電荷的氨基酸，這些氨基酸會吸引帶有相反電荷的其他氨基酸，並排斥帶有相同電荷的氨基酸。由於分子上電荷的分佈，帶有IDR的蛋白質也可能與水發生複雜的相互作用，這會影響它們的摺疊方式和向單獨相的轉變。
與這些被動的、熱力學驅動的凝聚物相比，其他凝聚物是透過需要消耗分子燃料來獲取能量的“主動”過程形成的。密歇根大學的現任教授莎倫·格洛策利用統計物理學發展了一種理論，表明消耗能量的化學反應可以改變凝聚物的形成方式，從而導致多個小液滴而不是單個凝聚物。例如，想象一個由兩種型別的粒子A和B組成的系統，其中A粘附A，B粘附B，但A和B彼此排斥。根據被動熱力學，我們預計這個系統會分離成一個包含許多A粒子的相和一個包含許多B粒子的相。然而，如果該系統還包括一個化學反應，該反應會消耗能量將A轉化為B，並將B轉化為A，則單個凝聚物可能會變得不穩定並分解。結果，不是兩個相——主要是A和主要是B——而是會形成許多小的圓形液滴，其中充滿了A或B粒子。其他科學家此後發現，這些液滴的大小和總數與化學反應中使用的能量多少有關。
格洛策團隊和其他人的研究表明，這種機制有助於穩定中心體，中心體是幫助協調細胞分裂的液態細胞結構。在細胞週期中，中心體的大小會增加一倍，分裂成兩個，然後移動到細胞的相對兩側。這兩個中心體形成一個有絲分裂紡錘體——一種繩狀成分束，在細胞分裂過程中對齊染色體並將其拉開。根據理論，中心體的組裝和拆卸所消耗的能量控制著這些生物分子凝聚物的生長和大小，並且還允許兩個中心體共存而不會合併成一個液滴。這表明細胞具有控制旋鈕來調整協調細胞分裂所需的空間和時間組織。
研究人員感興趣的另一個活躍領域是凝聚物如何隨著時間的推移緩慢變化的問題。一個例子是被稱為FUS的蛋白質，它結合細胞核內的DNA和RNA，修復DNA並調節基因及其產物。編碼FUS的基因發生突變會導致一種遺傳性肌萎縮側索硬化症（ALS），也稱為盧伽雷病。在試管實驗中，這種突變的FUS版本會形成與ALS患者腦組織中發現的FUS蛋白團塊相似的凝聚物。最近的研究表明，這些體外FUS凝聚物的特性會隨著時間的推移而變化。在一項研究中，現在荷蘭萊頓大學的助理教授路易絲·賈沃斯及其同事將FUS液滴繫結到可以用雷射鑷子操縱的塑膠珠上，從而使他們能夠研究液滴在被拉動時如何變形。有趣的是，液滴隨著時間的推移變得更加密集，需要更大的力才能變形。
這些研究標誌著我們開始瞭解凝聚物的複雜動力學。儘管這種現象的生物物理學原理尚未得到很好的理解，但區域性FUS蛋白濃度的增加似乎會觸發相變，從而形成類似於ALS中涉及的蛋白團塊的聚集狀態。對類似蛋白質的計算機模擬研究表明，區域性濃度可以透過隨著時間的推移加強蛋白質之間的鍵或增加這些鍵的數量來增加，這一過程稱為凝膠化。類似的過程可能構成與其它神經退行性疾病相關的蛋白質聚集體的基礎，例如阿爾茨海默病患者大腦中發現的澱粉樣纖維或與帕金森病有關的突觸核蛋白沉積物。一個有趣的假設是，正常的生理條件僅支援這些蛋白質的液態，而疾病與從液態到固態聚集狀態的轉變有關。
生物分子凝聚物是普遍存在且多樣化的這一認識是一個令人興奮的進展，但我們離了解它們的真正性質和功能還有很長的路要走。進展正在加快，我們希望看到關於生物分子凝聚物如何形成、如何老化以及如何影響細胞和更大的生物體的令人興奮的發現。