西南交大孟涛团队CEJ：液-液相分离调控复杂反应

通讯作者：苑昊、孟涛（西南交通大学生命科学与工程学院）

作者：Junqiu Ma（马君秋）, Kaihui Xu（徐开慧）, Chenlong Guo（郭晨龙）, Sicheng Chen（陈思成）, Wen Xie（谢雯）, Xingyuan Fang（方兴元）, Ting Guo（郭婷）, Hao Yuan*（苑昊）, Tao Meng*（孟涛）

数百万年来，细胞通过自然选择进化出一种特殊策略——液-液相分离（LLPS），以此来精确控制细胞内部的物质和功能。自从2009年LLPS首次提出以来，充分研究其反应动力学、热力学以及分子机制已经成为了一项前沿科学挑战。为了更深入地理解LLPS的反应特性，科学家们构建了体外LLPS系统，例如凝聚体和双水相系统（ATPS），这些系统能够隔离催化剂，从而揭示LLPS在细胞过程中的关键作用。通过这些研究能够了解到LLPS通过熵驱动效应、多价大分子相互作用等方式，形成了一个独特的微环境，这个环境可以调节酶和核酸等生物分子的活性，并且通过半透性界面动态调节微环境的成分。在此基础上，科学家们还基于细胞内LLPS的原理，设计了仿生微反应器，这些反应器具有隔室化和高效物质传输的特点，显著提高了生化过程的反应速率，比如级联催化反应、核酶切割反应和RNA催化，从而给生物催化领域带来了革命性的变化。因此，对LLPS的深入研究不仅能够加深我们对生命系统工作机制的理解，也能为生物技术的发展提供新的视角。尽管如此，目前对LLPS的认识仍然有限，大部分研究仅局限于一到两个催化步骤的简单模型反应，而细胞内的各类生化反应往往复杂且具有多个步骤，这大大限制了LLPS作为生物反应器在更广泛领域的应用。

近日，西南交通大学孟涛教授（点击查看介绍）团通过构建和筛选一个定制的LLPS系统，并以复杂的核酸扩增反应为例，发现 LLPS 可以在稀释环境中富集必要的反应物，从而维持和加速复杂的反应，其富集程度比普通水相系统高出 13 倍。更重要的是，与均匀加速的简单反应不同，LLPS 对复杂反应的加速取决于每个反应阶段的动力学和反应物浓度，揭示了细胞内核酸复制的内在机制。此外，通过加入 LLPS 及其阶段特异性因子，展示了基于 LLPS 的分子诊断工具的发展，与传统方法相比，它具有更短的检测时间、更高的效率和灵敏度，拓展了 LLPS 作为高效生物反应器在诊断方面的应用。

图1. 在LLPS中进行复杂有序的顺序反应及相应动力学分析

图2. LLPS调控复杂反应的机制

图3. ATPS的性质对复杂反应不同阶段加速效果的影响

图4. LLPS作为病原体和疾病检测的诊断工具

总结/展望

本研究揭示了 LLPS 介导的复杂反应的复杂性，并能创造出更准确、更可靠的诊断工具，为诊断学的进步铺平了道路，并为进一步利用 LLPS 拓展了可能性。该研究得到国家自然科学基金项目（22204130, 22378336, 21776230），四川省科技厅重点研发项目（2021YFN0129, 2022NSFSC1211），中央高校基础研究基金（(2682024ZTPY001, 2682023ZTPY048, 2682021ZTPY031）的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

The stage- and kinetics-dependent regulation of highly ordered sequential reactions by liquid-liquid phase separation

Junqiu Ma, Kaihui Xu, Chenlong Guo, Sicheng Chen, Wen Xie, Xingyuan Fang, Ting Guo, Hao Yuan *, Tao Meng *

Chem. Eng. J., 2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.155610

导师介绍

孟涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/186043