所有生物体都由细胞构成，细胞是生命的最小单位。植物和动物拥有多达数万亿个细胞协同工作，产生更加复杂的组织和功能。细胞内有细胞器，或称小器官，执行特定的工作。例如，植物和动物细胞都有线粒体，产生能量，以及包含大部分遗传信息并充当控制中心的细胞核。这些广为人知的细胞器被膜包围，以维持其形状并将其与填充细胞的液体细胞质分隔开。
但是，这种关于细胞的教科书描述，将工作整齐地划分为有膜包裹的结构，是不完整的。并非所有细胞器都有膜，在过去十年中，生物学家逐渐意识到无膜细胞器——例如浓缩蛋白质或其他生物分子的微小液滴——可能比以前认识到的更丰富，并在细胞功能中执行更多样化的任务。科学家们将这些液滴称为生物分子凝聚物，类似于潮湿的日子里冷水杯上凝结的水滴。
它们的物理特性有点神秘。为什么这些小工不需要壁来保持其内容物，它们如何保持其元素与周围的细胞质分离？通过了解凝聚物如何形成和运作，我们希望最终弄清楚它们的作用。
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这项研究仍在兴起，但科学家认为这些液滴在基因调控、细胞分裂和细胞内物质运输方面发挥着重要作用。甚至有迹象表明，生物分子凝聚物在与人类疾病相关的细胞过程中很重要，包括肌萎缩侧索硬化症 (ALS)和其他神经退行性疾病。然而，到目前为止，关于生物分子凝聚物的大部分证据都来自试管实验。在未来几年，研究人员的目标是了解这些液滴如何在更复杂的活细胞环境中发挥作用。随着我们不断发现新的凝聚物类型并揭示有关其用途的新线索，我们希望甚至可能找到一个可以描述所有这些凝聚物的通用理论。
在显微镜下，生物分子凝聚物看起来像漂浮在充满细胞器和其他结构的细胞质海洋中的微小物体。尽管悬浮在这种液体中，它们本身却像液体一样——它们呈球形，当用微量移液管戳时会变形。当两个液滴接触时，它们会合并成一个。最近关于其可能生物学意义的发现引起了人们对生物分子凝聚物如何形成的兴趣。对于像我这样的生物物理学家来说，这看起来像一个热力学问题。
热力学是物理学的一个分支，关注热与其他形式能量之间的关系。其原理适用于从化学反应到气象学的一切事物。就我们的目的而言，热力学描述了液-液相分离——将流体划分为具有不同浓度和组成的两个隔室（或相）。一个经典的例子是油和水。如果我将油倒入一杯水中，起初这两种液体会有些混合。然而，几分钟后，它们会分离并形成两个相：一个富含油且几乎不含水，另一个包含水且几乎不含油。相反，熵占优的情况是牛奶和咖啡的混合，它们会充分混合。
热力学告诉我们，这种相分离是熵和能量之间竞争的结果。熵是系统中无序的量；它倾向于油和水的均匀混合。能量包括每种分子中化学键所含的能量以及分子之间相互作用的能量。在这种情况下，油分子相互作用的能量低于油和水分子相互作用的能量，这驱使油和水分离成不同的层。分子之间相互作用的能量减少超过了熵保持均匀混合的相反贡献。
当蛋白质、DNA 或 RNA 等分子以高浓度聚集在一起时，细胞内部可能会发生类似的事情。这些分子可能会凝聚成微小的液滴，因为它们聚集在一起时能量较低，而不是分散在整个细胞质中。但是，与油和水的分离或水杯外部形成的液滴不同，生物分子凝聚物的行为不能仅用热力学来解释。纯粹由热力学驱动的相分离应该是稳定的：一旦油和水在玻璃杯内分离，它们将永远保持这种状态。但在细胞内部，许多凝聚物只是暂时存在的。例如，蛋白核是动态结构，在细胞分裂之间溶解和重新形成。它们对于藻类将阳光转化为能量的光合作用过程至关重要。
蛋白核是最早为人所知的生物分子凝聚物之一。1782 年，丹麦博物学家和科学插画家奥托·弗雷德里克·穆勒观察并绘制了绿藻中的小点，用当时有限的技术捕捉到了这些结构。后来，在 19 世纪 30 年代，德国生理学家鲁道夫·瓦格纳和加布里埃尔·瓦伦丁分别报告了他们对另一种生物分子凝聚物的观察。那时科学家们开始意识到细胞是生命的基本单位。尽管当时显微镜相对粗糙，瓦格纳和瓦伦丁还是能够辨别神经元细胞核内的微小结构。感谢后来的研究，我们现在知道它们是核仁或“核内的核”，核仁是构建核糖体的结构，核糖体是将 RNA 序列转化为蛋白质的分子机器。但当时瓦格纳和瓦伦丁对核仁的功能知之甚少。后来，在美国生物学家埃德蒙·B·威尔逊发表在 1899 年《科学》杂志上的一篇论文中，他提出细胞的细胞质不是均匀的液体，而是含有悬浮液滴的“不同化学性质”的复杂液体混合物。尽管威尔逊缺乏直接证据来支持这一观点，但他的模型非常准确，并且仍然是我们现代细胞生物学理解的一部分。
一个多世纪过去了，我们才获得了更深入的认识。显微镜技术的进步发挥了重要作用，它使生物学家能够放大并实时观察细胞内的事件展开，而不是只在静态图像中看到它们。在 2009 年的一项里程碑式研究中，研究人员检查了秀丽隐杆线虫（一种实验室研究的常用物种）胚胎细胞中的无膜细胞器，称为 P 颗粒。P 颗粒含有蛋白质和 RNA，有助于确定哪些细胞最终在早期胚胎发育中成为精子和卵子。使用荧光染料，科学家们发现蛋白质在 P 颗粒内快速移动，表明它们混合良好，并构成与细胞质分离的不同相。此外，研究人员发现 P 颗粒是圆形的，并且像液体一样变形。当两个液滴彼此靠近时，它们会融合在一起。这是关于生物分子凝聚物可以在活细胞内形成的一些最早的直接证据。
自从这项发现以来，其他团队发现在各种类型的细胞中都会出现生物分子凝聚物。尽管在许多情况下这些凝聚物的生物学功能尚不清楚，但新兴的图景表明，细胞使用相分离作为一种一次控制多个重要生物过程的方法。更多地了解凝聚物如何形成的物理学可以帮助我们更清楚地了解它们的作用。
我通过迂回的方式进入了物理学领域。我以生物学专业的身份进入大学，学习了细胞生物学、遗传学、生态学和进化论的入门课程。我对像细胞这样小的东西如何如此复杂感到着迷。但我也必须学习入门物理课程，并且被物理学的定量性质所吸引。有些计算需要花费数页才能得出解决方案。我发现这个过程很有吸引力，但入门物理问题中的汽车碰撞和摆动的钟摆并没有启发我。我梦想着用物理定律定量地研究生物学。
我继续在加州大学伯克利分校攻读研究生。在我的博士学位即将结束时，我开始了现在是我主要研究项目之一的研究，即研究细胞内部的相分离。我的一项工作涉及在早期发育中在我们免疫系统的关键组成部分 T 细胞内部形成的凝聚物。构成凝聚物的蛋白质被称为 T 细胞激活连接蛋白 (LAT)，它在发育和感染期间调节关键的信号通路。LAT 连接到细胞膜的内部，并在膜内形成凝聚物，这本质上是一种二维液体。我在加州大学伯克利分校的合作者一直在研究LAT 凝聚物如何在试管实验中形成，将 LAT 分子附着在人造膜上。他们发现，这个过程需要将“胶水”蛋白添加到膜另一侧的溶液中。这些胶水蛋白与 LAT 的单个分子结合，并将它们与其他 LAT 分子连接起来，以模拟活细胞中的相互作用。
我有幸与这些研究人员合作进行了一项最近的研究，他们测量了在将胶水蛋白添加到LAT均匀溶液后形成凝聚物所需的时间。他们发现这种相变时间是温度的函数。作为一名理论家，我着手了解决定这一时间尺度的因素。在加州大学伯克利分校的导师、化学家大卫·利默的指导下，我开发了一个数值模型，其中包含了相关的生物学信息，例如LAT分子彼此连接并在膜表面扩散的速度，以及每个LAT分子可以与其他LAT分子形成的最大连接数。在我们的模拟中，LAT在凝聚过程的开始阶段会形成10到20个蛋白质的微小簇。在中间时间尺度上，这些簇开始融合在一起形成纤维状网络。最终，这个网络会凝结成圆形的斑点，并出现两个不同的相——一个富含LAT，另一个几乎不含LAT但含有大量其他蛋白质。在这个过程的最后一步，也是耗时最长的一步，纤维状结构中可用的结合位点非常少，它们必须缓慢移动和弯曲才能使剩余的结合位点可用。我们对LAT簇的生长和簇内分子动力学的模拟结果与我的合作者进行的实验非常吻合。我们的工作共同展示了一种特殊的凝聚物如何在细胞中形成，并具有维持生命的功能。
我目前正在研究的另一个领域是生活在世界各地的土壤和淡水中、从太阳获取能量的绿藻内的相分离。正如陆地植物一样，这个过程——光合作用——依赖于叶绿体内的绿色色素分子。但与陆地植物不同，这些绿藻的每个叶绿体内都有一个称为类蛋白体的生物分子凝聚物，其中含有高浓度的酶，这些酶可以将空气中的二氧化碳转化为糖类以获取能量。我想了解这些凝聚物形成的生物物理学原理。通过与实验室研究类蛋白体的生物学家合作，我正在研究如何调整这些生物分子凝聚物的组成和大小，以实现特定的生物学功能。我们希望这项工作有一天能让我们对陆地植物进行基因工程改造，使其产生类蛋白体，这或许可以使它们在阳光不足的地区生长。
最近，科学家们开始更好地了解细胞内液滴是如何形成的。我们知道，当蛋白质聚集在一起所需的能量小于它们均匀分散在细胞质中所需要的能量时，就会出现凝聚物。这种情况似乎通过两种主要机制发生。一种涉及具备促进化学键形成的适当条件，从而使单个蛋白质分子可以彼此结合。
形成凝聚物的第二种热力学机制涉及含有所谓的内在无序区域（IDR）的蛋白质，或者构成蛋白质的氨基酸序列高度重复的区域。这些IDR可能包含带正电荷或负电荷的氨基酸，这些氨基酸会吸引带有相反电荷的其他氨基酸，并排斥带有相同电荷的氨基酸。由于分子上电荷的分布，带有IDR的蛋白质也可能与水发生复杂的相互作用，这会影响它们的折叠方式和向单独相的转变。
与这些被动的、热力学驱动的凝聚物相比，其他凝聚物是通过需要消耗分子燃料来获取能量的“主动”过程形成的。密歇根大学的现任教授莎伦·格洛策利用统计物理学发展了一种理论，表明消耗能量的化学反应可以改变凝聚物的形成方式，从而导致多个小液滴而不是单个凝聚物。例如，想象一个由两种类型的粒子A和B组成的系统，其中A粘附A，B粘附B，但A和B彼此排斥。根据被动热力学，我们预计这个系统会分离成一个包含许多A粒子的相和一个包含许多B粒子的相。然而，如果该系统还包括一个化学反应，该反应会消耗能量将A转化为B，并将B转化为A，则单个凝聚物可能会变得不稳定并分解。结果，不是两个相——主要是A和主要是B——而是会形成许多小的圆形液滴，其中充满了A或B粒子。其他科学家此后发现，这些液滴的大小和总数与化学反应中使用的能量多少有关。
格洛策团队和其他人的研究表明，这种机制有助于稳定中心体，中心体是帮助协调细胞分裂的液态细胞结构。在细胞周期中，中心体的大小会增加一倍，分裂成两个，然后移动到细胞的相对两侧。这两个中心体形成一个有丝分裂纺锤体——一种绳状成分束，在细胞分裂过程中对齐染色体并将其拉开。根据理论，中心体的组装和拆卸所消耗的能量控制着这些生物分子凝聚物的生长和大小，并且还允许两个中心体共存而不会合并成一个液滴。这表明细胞具有控制旋钮来调整协调细胞分裂所需的空间和时间组织。
研究人员感兴趣的另一个活跃领域是凝聚物如何随着时间的推移缓慢变化的问题。一个例子是被称为FUS的蛋白质，它结合细胞核内的DNA和RNA，修复DNA并调节基因及其产物。编码FUS的基因发生突变会导致一种遗传性肌萎缩侧索硬化症（ALS），也称为卢伽雷病。在试管实验中，这种突变的FUS版本会形成与ALS患者脑组织中发现的FUS蛋白团块相似的凝聚物。最近的研究表明，这些体外FUS凝聚物的特性会随着时间的推移而变化。在一项研究中，现在荷兰莱顿大学的助理教授路易丝·贾沃斯及其同事将FUS液滴绑定到可以用激光镊子操纵的塑料珠上，从而使他们能够研究液滴在被拉动时如何变形。有趣的是，液滴随着时间的推移变得更加密集，需要更大的力才能变形。
这些研究标志着我们开始了解凝聚物的复杂动力学。尽管这种现象的生物物理学原理尚未得到很好的理解，但局部FUS蛋白浓度的增加似乎会触发相变，从而形成类似于ALS中涉及的蛋白团块的聚集状态。对类似蛋白质的计算机模拟研究表明，局部浓度可以通过随着时间的推移加强蛋白质之间的键或增加这些键的数量来增加，这一过程称为凝胶化。类似的过程可能构成与其它神经退行性疾病相关的蛋白质聚集体的基础，例如阿尔茨海默病患者大脑中发现的淀粉样纤维或与帕金森病有关的突触核蛋白沉积物。一个有趣的假设是，正常的生理条件仅支持这些蛋白质的液态，而疾病与从液态到固态聚集状态的转变有关。
生物分子凝聚物是普遍存在且多样化的这一认识是一个令人兴奋的进展，但我们离了解它们的真正性质和功能还有很长的路要走。进展正在加快，我们希望看到关于生物分子凝聚物如何形成、如何老化以及如何影响细胞和更大的生物体的令人兴奋的发现。