撰文 | 十一月
責編 | 酶美
蛋白質凝聚物是一種複雜的流體，它會隨著時間的推移而改變其物質性質。然而，對這些流體的流體學描述仍然缺乏。為了解決這一問題，普朗克研究所Frank Jülicher研究組與Anthony A. Hyman研究組在Science合作發表了題為Protein condensates as aging Maxwell fluids，利用光鑷技術和微珠流體力學對體外蛋白質凝聚物時間依賴的材料特性進行了解析，定義了一種不同於液體、膠體和固體的新型的“麥克斯韋玻璃體”。
細胞內的無膜細胞器會因適應不同的生物學功能而具有不同的材料學特性，比如P小體以及應激小體均是液體類似的特性【1-2】。而類似於中心體的形成則是動態性較低，表現出類似於膠狀的狀態【3】。動態的固體比如微管在體內也是存在的【4】。因此，對於生物學組分流體力學方面特性的研究將對分子間相互作用以及分子行為方面提供更多的見解。
為此，作者們首先建立了體外純化蛋白的系統並使用熒光漂白恢復實驗對這些蛋白隨時間而產生的蛋白溶解性特性進行表徵。作者們發現，在蛋白被純化出來的早期階段到晚期階段，P小體相關的蛋白PGL-3的熒光漂白恢復曲線特性變得不同（圖1）。早期階段，熒游標記的PGL-3的半數恢復時間在1min左右；而在蛋白老化46小時後，蛋白熒光漂白後的半數恢復時間變為了50min。這些特性在其他的FUS家族的蛋白比如FUS、EWSR1、DAZAP1以及TAF15蛋白中也具有相似的變化。這些結果說明，蛋白凝聚物的老化行為是廣泛存在的。
圖1 蛋白表現出隨時間變化的材料特性
那如何對早期階段以及晚期階段中蛋白凝聚物特性的變化進行描述呢？作者們使用了先前發表的主動與被動微觀流變學的模型來進行描述【5】。在主動微觀流變學中，作者們使用光鑷作用在兩個附著的蛋白質液滴上，連線到珠子上促進形變發生（圖1）。在早期階段，力-位移曲線是一個橢圓，表現出強粘性；在後期階段，力-位移曲線幾乎是一條直線，表明主要存在的是彈性行為。對於被動微觀流變學，作者們使用共聚焦顯微鏡跟蹤熒光聚苯乙烯微珠浸入液滴的運動。作者們發現隨著時間的進展，這些蛋白凝聚物液滴的尺寸會逐漸降低（圖2）。
圖2 主動與被動微觀流變學對蛋白凝聚物老化現象的表徵
為了進一步描述蛋白凝聚物的材料特性，作者們建立了一個與時間相關的主動微觀流變學的模型。根據此模型，作者們發現並定義了由各種蛋白質構成的生物凝聚物並非是由簡單的液態、固態或者是膠狀而是由一種被稱為“麥克斯韋玻璃”流體的狀態所組成。麥克斯韋玻璃這個術語包含了麥克斯韋流體和玻璃的老化過程。而現在玻璃態的行為在生物學中還沒有得到很好地描述，因為類玻璃老化是一個動態過程，它需要一個大範圍的時間尺度，研究起來比較困難。但可以理解的是，麥克斯韋玻璃態允許細胞減慢生化反應又同時能夠保持材料的柔軟特性，可以靈活和迅速地應對細胞內外的變化。該工作對於蛋白凝聚物狀態的理解提供了新穎的概念。
由於該文章在概念和模型方面的突破，當期同時刊登了與該文章相關的Perspective的文章題為The glassiness of hardening protein droplets，強調了蛋白質凝聚物也可以硬化成一種新的相，即麥克斯韋玻璃。麥克斯韋玻璃比蛋白質凝膠態和固態相比更容易發生狀態的調整和變化，有助於細胞的快速反應。
原文連結：
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1317
https://science.sciencemag.org/content/sci/370/6522/1271.full.pdf
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參考文獻
1. Brangwynne, C. P. et al. Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science (New York, N.Y.) 324, 1729-1732, doi:10.1126/science.1172046 (2009).
2. Patel, A. et al. A Liquid-to-Solid Phase Transition of the ALS Protein FUS Accelerated by Disease Mutation. Cell 162, 1066-1077, doi:10.1016/j.cell.2015.07.047 (2015).
3. Woodruff, J. B. et al. The Centrosome Is a Selective Condensate that Nucleates Microtubules by Concentrating Tubulin. Cell 169, 1066-1077.e1010, doi:10.1016/j.cell.2017.05.028 (2017).
4. Desai, A. & Mitchison, T. J. Microtubule polymerization dynamics. Annual review of cell and developmental biology 13, 83-117, doi:10.1146/annurev.cellbio.13.1.83 (1997).
5. Jawerth, L. M. et al. Salt-Dependent Rheology and Surface Tension of Protein Condensates Using Optical Traps. Physical review letters 121, 258101, doi:10.1103/PhysRevLett.121.258101 (2018).