生物分子凝聚物中的不平衡电荷引发氧化还原反应

人体严重依赖电荷。闪电般的能量脉冲穿过大脑和神经，大多数生物过程都依赖于穿过我们身体每个细胞膜的电离子。

这些电信号是可能的，部分原因是存在于细胞膜两侧的电荷不平衡。直到最近，研究人员还认为膜是造成这种不平衡的重要组成部分。但是，当斯坦福大学的研究人员发现水和空气的微滴之间可能存在类似的不平衡电荷时，这种想法被颠覆了。

现在，杜克大学的研究人员发现，这些类型的电场也存在于另一种称为生物凝结物的细胞结构内部和周围。就像漂浮在水中的油滴一样，这些结构因密度差异而存在。它们在细胞内形成隔室，而不需要膜的物理边界。

受先前研究表明水的微滴与空气或固体表面相互作用会产生微小的电不平衡的启发，研究人员决定看看小型生物凝结物是否也是如此。他们还想看看这些不平衡是否会像其他系统一样引发活性氧“氧化还原”反应。

他们的基础性发现于 4 月 28 日发表在《化学》杂志上，可能会改变研究人员对生物化学的看法。它还可以提供有关地球上第一个生命如何利用出现所需能量的线索。

“在没有酶催化反应的生命起源前环境中，能量从何而来?” 在 Alan L. Kaganov 生物医学工程特聘教授 Ashutosh Chilkoti 和 James L. Meriam 生物医学工程特聘教授 Lingchong You 实验室工作的杜克大学博士后研究员戴一帆问道。

“这一发现为反应能量的来源提供了一个合理的解释，就像电场中点电荷的势能一样，”戴说。

当电荷在一种材料和另一种材料之间跳跃时，它们会产生分子碎片，这些分子碎片可以配对并形成化学式为 OH 的羟基自由基。然后它们可以再次配对形成微量但可检测的过氧化氢 (H2O2)。

但是除了细胞膜之外，很少在生物体系中研究界面，细胞膜是生物学最重要的部分之一。所以我们想知道生物凝聚物的界面可能会发生什么，也就是说，如果它也是一个不对称系统。”

细胞可以构建生物凝结物来分离或捕获某些蛋白质和分子，从而阻碍或促进它们的活动。研究人员才刚刚开始了解凝析油的工作原理以及它们的用途。

由于 Chilkoti 实验室专门制造天然存在的生物凝聚物的合成版本，因此研究人员能够轻松地为他们的理论创建一个试验台。在博士后学者 Marco Messina 的帮助下，结合正确的积木配方来制造微小的凝聚物之后?加州大学伯克利分校的 Christopher J. Chang 小组，他们在系统中添加了一种染料，该染料在存在活性氧时会发光。

他们的直觉是正确的。当环境条件合适时，凝结物的边缘开始发出稳定的光，证实了一种以前未知的现象在起作用。戴接下来与斯坦福大学玛格丽特布莱克威尔伯化学教授理查德扎尔交谈，他的团队建立了水滴的电行为。Zare 很高兴听到生物系统中的新行为，并开始与该小组合作研究潜在机制。

“受到之前关于水滴的研究的启发，我的研究生 Christian Chamberlayne 和我认为相同的物理原理可能适用并促进氧化还原化学，例如过氧化氢分子的形成，”Zare 说。“这些发现表明，为什么凝聚物在细胞功能中如此重要。”

“之前关于生物分子凝聚物的大部分工作都集中在它们的内部，”Chilkoti 说。“Yifan 发现生物分子凝聚物似乎具有普遍的氧化还原活性，这表明凝聚物并不像通常所理解的那样简单地进化以执行特定的生物学功能，而且它们还被赋予了细胞所必需的关键化学功能。”

虽然我们细胞内这种持续反应的生物学意义尚不清楚，但 Dai 举了一个生命起源前的例子来说明其影响可能有多强大。我们细胞的发电厂称为线粒体，它通过相同的基本化学过程为我们生命的所有功能创造能量。但在线粒体甚至最简单的细胞存在之前，必须有某种东西为生命的最初功能提供能量才能开始工作。

研究人员提出，能量是由海洋或温泉中的热喷口提供的。其他人则认为，发生在水微滴中的这种相同的氧化还原反应是由海浪的喷射产生的。

但为什么不用冷凝物呢?

“当物质变得很小并且界面体积与其体积相比变得巨大时，魔法就会发生，”戴说。“我认为这对许多不同领域都很重要。”