普林斯顿大学生物物理学家 Clifford Brangwynne 是 2009 年首次发现亚细胞液滴(秀丽隐杆线虫细胞中包含蛋白质和 RNA 的微量液体聚集,即 P 颗粒)的团队成员之一。他解释道,如果液滴的生长和自发分裂是细胞演化的遗迹,那么亚细胞液滴的存在也就显得理所当然了。就像携带自身 DNA 的线粒体由感染细胞并与宿主发展出共生关系的古细菌演化而来,我们在活细胞中看到的液相凝聚也可能是原细胞的“化石残留”。新论文对原细胞液滴的特征进行描述,将这一领域的研究提升到了新的层次。
自分裂液滴
故事要从 2009 年讲起。那年,Brangwynne 及其同事揭示了秀丽隐杆线虫生殖系细胞(可分裂为精子和卵细胞)中“P 颗粒(P granules)”的本质。在细胞分裂过程中,研究人员观察到 P 颗粒会发生生长、缩小,或以扩散方式穿过细胞。在发表于 Science 上的论文中,他们表示细胞中的 P 颗粒就是液滴。这激起了一波类似的新研究,其他一些亚细胞结构也相继被确认为液滴。
没过多长时间,Brangwynne 和 Tony Hyman 就将他们的发现与 Oparin 的原细胞理论联系在一起。在 2012 年发表于 The Origin of Life 的论文中,Brangwynne 和 Hyman 写道,Oparin 理论中的液滴“也许现在还完好地存活在我们的细胞中,就像苍蝇镶嵌在琥珀中一样”。
当秀丽隐杆线虫生殖系细胞分裂时,P颗粒(绿色)在将会变成精子/卵细胞的子细胞中富集(上),而在另一个子细胞中溶解(下)。图片来源:Clifford Brangwynne /Science
Oparin 最著名的工作是提出了一个假设,认为早期地球上的雷击和地热活动触发了生命起源所需的有机大分子合成。后来,这一假设又由英国科学家 John Haldane 独立提出,并在二十世纪五十年代通过 Miller-Urey 实验成功证实。
Oparin 还提出,由大分子聚集成的液滴可能就是原细胞(细胞的最原始形态)。但这个想法不那么有名,部分原因在于他并不清楚这些液滴是如何繁殖和演化的。而 P 颗粒研究组的成员们也同样无法回答这一问题。
Zwicker 利用具有“化学活性”的非平衡系统来模拟中心体,持续不断地使其中的蛋白质分子循环进出液体细胞质。在他的模型中,这些蛋白质有两种化学态:处于 A 态的蛋白质可溶于周围液体;处于 B 态的蛋白质则无法溶解,会在细胞质中聚集成液滴。有时,处于 B 态的蛋白质会自发转换为 A 态,流出液滴;而外加能量能够触发反向转换,使处于 A 态的蛋白质克服化学障碍,转换为 B 态。当无法溶解的蛋白质撞向液滴时,它就像雨滴落入湖中那样,轻而易举地融入其中。因此,只要存在外加能量源,蛋白质分子就能流进或流出活化液滴。对于早期地球而言,阳光提供了这种驱动力。