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食品科学与细胞科学相结合,旨在解释无膜细胞室的内部工作原理

约翰·霍普金斯大学医学研究人员报告说,食品科学原理帮助他们确定了细胞内不寻常的液滴是如何保持有序的,并避免溶解到细胞其余的凝胶内部。

研究人员说,他们的工作可以促进对细胞进化的科学理解,并帮助食品和化学工业的科学家开发出更好的防止液体混合物分离的方法。

所有活生物体的细胞都拥有一组称为细胞器的微型生物机器。这些结构运行着细胞的动力线粒体、脑核和其他操作,所有这些都有一个明确的边界,并包裹在一层膜中。然而,还有一些细胞部分看起来像粘性的、无膜的“斑点”,但它们有着不同的用途,如调节基因、发送化学信号或储存特殊分子的位置。

长期以来,科学家们一直认为这些有点神秘的液滴可能是细胞器的原始版本,约翰·霍普金斯领导的研究小组与实验室蠕虫合作,进一步研究它们。

9月10日的《科学》杂志上刊登了一份关于研究小组关于这些被称为生物分子凝聚物的液滴的发现的报告。

Geraldine Seydoux博士说:“我希望这项工作将有助于说服科学家,生物分子凝聚物是高度复杂的细胞隔室。”亨廷顿·谢尔顿医学发现教授、约翰·霍普金斯大学医学院基础研究副院长、霍华德·休斯医学研究所研究员。“我们发现它们和其他细胞器一样,具有调节作用和对环境的反应。我们发现它们确实有膜,只是不是我们习惯看到的那种类型。”

20世纪70年代,科学家们首次将生物分子凝聚物称为“颗粒”,他们利用电子显微镜更仔细地观察了许多生物体的结构,包括被称为秀丽隐杆线虫的蠕动生物,其相对简单的生物学特性使其成为研究从现代基因切割技术到蛋白质结构的一切事物的通用实验室模型。蚯蚓体内的凝结物看起来很坚硬,外观与沙粒相似,被称为P颗粒。

2014年,在Seydoux的实验室,研究生Jennifer Wang进行了基因分析,在蠕虫P颗粒中发现了一种叫做MEG-3的蛋白质。Wang的实验表明,另一种蛋白质PGL-3产生粘性液滴,即P颗粒的“核心”,而MEG-3在P颗粒的外部游荡,形成小的“簇”,覆盖在P颗粒的表面。

Seydoux说:“我们不知道的是,这些蛋白质可能只是停留在P颗粒的外部,但对于稳定颗粒的内部是如此不可或缺。”。

2020年1月,塞杜克斯在寻找合适的词语来描述他们的观察结果时,这个谜团仍未解开。她在谷歌上搜索了“固体稳定液体”,并找到了关于皮克林乳液的食品科学概念的参考资料。“当我读到更多关于这一现象的文章时,我感到非常高兴,”塞杜克斯说。

乳状液是两种通常混合不好的液体的混合物,如油和水。皮克林乳状液是一种稳定的混合物,就像杂货店每天出售的一盒牛奶一样。

未经加工的牛奶自然不稳定,牛奶中的脂肪滴往往聚集在一起,以减少脂肪分子之间的总表面积。脂肪分子或奶油上升到顶部,与乳清或牛奶中的水状液体分离。

为了避免牛奶分离和稳定液体,乳制品加工商将牛奶推入一个小针头,这样可以分解脂肪滴,在脂肪滴上覆盖一种叫做酪蛋白的蛋白质,避免形成一层奶油状的融合脂肪分子。

Seydoux说,她突然想到MEG-3的作用方式可能与牛奶中酪蛋白的作用非常相似,降低了液滴的表面张力,以防止它们融合在一起。她补充说,MEG-3倾向于停留在P颗粒的表面,这向她表明它起到了一种膜的作用。

在他们的实验中,Seydoux和她的团队表明,涂有MEG-3的PGL-3液滴在载玻片上保持均匀分离,液滴数量是未涂凝聚物的两倍,在载玻片上形成更少和更大的液滴。

“这是食品科学中一个众所周知的现象,现在我们看到它也可能发生在细胞内,”塞杜克斯说。

Seydoux和她的团队还设计了缺乏MEG-3的蠕虫卵细胞,并发现未包衣的P颗粒溶解得更慢。Seydoux说,这项实验和其他实验表明,MEG-3不仅能在正常条件下稳定液滴,而且能在环境条件改变时使液滴反应更快。

Seydoux的博士后学生团队,包括细胞成像专家Andrew Folkmann和生物化学家Andrea Putnam,寻求物理化学专家的帮助完成他们的研究,该专家可以指导他们完成Pickering乳剂的物理过程。

几个月前,伦敦帝国理工学院的生物工程师赵凡利加入了研究小组,他帮助他们确定了MEG-3蠕虫模型中缺失的一种成分:一种称为MBK-2的酶,可以帮助P颗粒内的液体变得不那么粘稠。

Seydoux说:“总之,这些实验解释了细胞内的原始汤是如何组装成能够抵抗融合并对发育线索作出反应的隔间的。”

该团队计划进行进一步的研究,以确定MEG-3的精确物理结构以及有关其工作原理的更多细节。他们说,如果进一步研究成功,MEG-3可以为食品和化学工业中开发皮克林乳液提供可再生资源。

Seydoux及其团队已就使用MEG-3作为开发Pickering乳液的工具申请了专利。