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深圳大学刘洲Nat Commun:通过自然蒸发构筑多区室凝聚液滴细胞模型

基于液-液相分离(LLPS)产生的无膜凝聚液滴是构建区室化的一种重要方法。最近研究表明,像蒸发这样的自然过程可以形成微区室,并将生物分子与外部环境隔绝。这些凝聚液滴不仅是现代细胞多层级结构的关键基础,而且可能在原始细胞的形成中发挥重要作用。它们可以充当能够浓缩RNA分子的无膜隔室,那么如何维持基于凝聚液滴的原始细胞的多层级结构,对于它们作为组织枢纽的功能十分重要。在该项工作中,作者利用蒸发中毛细流动在液滴内形成的流场驻点,防止凝聚液滴相互接触,从而阻碍它们之间的融合,达到维持凝聚液滴作为独立区室的目的;同时蒸发触发了多重LLPS,形成了层级结构的凝聚液滴,并能够主动募集RNA,对RNA世界假说提供了支撑。

图1. 在有机物润湿表面上自主蒸发的固着液滴示意图


如图1展示,蒸发过程中水分流失,溶质的浓度显著增加,形成多重分离型和缔合型LLPS。最终在蒸发液滴边缘处形成具有核壳结构的凝聚液滴,并在流体动力学的作用下维持稳定。

图2. 多组分液滴蒸发过程中核壳结构的形成以及各组分的分布。a)示意图和明场图像显示了含有PEO、葡聚糖和凝聚液滴在液滴中的分层结构,这些凝聚液滴由两种带相反电荷的蛋白质(卵清蛋白和乳铁蛋白)络合。(b)荧光显微图像显示凝聚液滴的位置,并给出特定位置的相对荧光强度。(c)荧光显微图像显示了富含PEO和富含葡聚糖的对应位置,以及特定位置的相对荧光强度。(d)示意图和时间序列光学显微图像显示了蒸发过程中核壳结构的形成过程:(i)分离型LLPS产生富含葡聚糖的液滴,分散在富含PEO的连续相中;(ii)富含葡聚糖的液滴融合成较大的液滴;(iii)蛋白质被富含葡聚糖的液滴募集,其浓度显著增加,导致蛋白质的缔合型LLPS形成;(iv)凝聚液液滴由于其液态特性而趋于融合,并最终形成稳定的核壳结构;(v)核壳结构在干燥之前保持稳定


图3. 由PEO和葡聚糖之间的分离型LLPS产生的ATPS液滴(不含蛋白质)形态。研究了两种情况:无柄液滴在(a)有机物润湿的基质上蒸发,(b)空白的基质上蒸发


图4. 停滞环的形成和对流毛细流形成和维持核壳卫星舱的机理.(a)聚苯乙烯(PS)粒子在液滴内向停滞环移动,以及蓝色直线上相应的灰度值分布。(b)t=0 min(蒸发开始)和t=6 min处紫色荧光PS粒子分布的俯视图和侧视图,以及相应的荧光强度。(c)蒸发ATPS液滴的三维重建,其中显示了高度z=42.48 μm的水平切片和液滴中间的垂直切片。(d)核壳结构形成和维持机制的示意图


图5. 荧光图像表明核壳区室中对RNA的募集。(a)当将RNA添加到多组分液滴中时,观察到类似的核壳区室。(b)荧光图像显示了核壳区室和 RNA的分布位置,并给出了葡聚糖与RNA在特定位置的相对荧光强度


在该项研究中,利用有机相对液滴的部分覆盖会改变局部蒸发速率这一原理,促使液滴内的流场中形成驻点。这些驻点对于具有核壳结构凝聚液滴的形成以及之后的稳定至关重要。解释了基于凝聚液滴的核壳隔室如何在有机物润湿基底上无柄液滴的自发蒸发过程中的形成并维持相对稳定。此外,为验证停滞环现象的普遍性,使用了其他方案来阻碍液滴边缘的蒸发。例如,当固着液滴在凹坑内蒸发时,也会观察到类似的现象。这些结构类似于封装细胞内细胞器的真实细胞。最后证明了这些区室化的凝聚液滴可以积累RNA,为各种RNA类型的优先分配及其有组织的生化反应提供基础。


该项研究结果揭示了自发蒸发与多重分离型与缔合型LLPS之间相互作用的现象。更重要的是,实验中的液滴在有机物润湿表面上自主蒸发,不需要复杂的手动干预和设计,就能够实现模拟现实场景下构建和维持具有复杂细胞结构的凝聚液滴细胞模型。该工作第一作者为深圳大学助理教授齐成,共同通讯作者为深圳大学副教授刘洲孔湉湉


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Multicompartmental coacervate-based protocell by spontaneous droplet evaporation

Cheng Qi, Xudong Ma, Qi Zeng, Zhangwei Huang, Shanshan Zhang, Xiaokang Deng, Tiantian Kong* & Zhou Liu*

Nat. Commun., 202415, 1107, DOI: 10.1038/s41467-024-45411-y


作者简介


刘洲,深圳大学化学与环境工程学院特聘研究员、博导。主要从事微流控技术、流体物理、软物质材料等方面的研究,在Nature Communications、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等研究领域重要期刊上发表论文50余篇。所获荣誉包括日内瓦国际发明展银奖、中国化学学会基础研究二等奖、深圳市优青、深圳市高层次人才计划B类,担任中国化工学会微化工专委会青年委员等职务。


https://www.x-mol.com/university/faculty/92003 


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