Nat. Chem.：揭示电生物分子凝聚体电化学动态变化的机制

生物大分子凝聚体通过在溶液体系中引发密度变化产生相分离。这一机制能够选择性地将特定生物分子划分为无膜细胞器，以调控细胞的各种生物过程。然而，受蛋白质-蛋白质和蛋白质-溶剂不断变化的相互作用影响，凝聚体通常处于非平衡状态。

凝聚体的成熟与老化是影响其功能、导致生理或病理性失调的关键过程。大分子的相变不仅影响参与凝聚体形成的特定生物分子，还会调控稀相与密相之间的离子环境和水分子分布，进而决定其电化学性质。然而，目前对凝聚体如何调节细胞内电化学的认识仍十分有限，且凝聚体定义和调节自身电化学平衡的机制及其对物理化学功能的影响机制尚不清楚。

近日，美国圣路易斯华盛顿大学生物凝聚体中心（Center for Biomolecular Condensates）的Yifan Dai教授（点击查看介绍）团队与斯坦福大学的Richard N. Zare院士（点击查看介绍）和Guosong Hong教授（点击查看介绍）团队合作在Nature Chemistry 发表论文，揭示了生物分子凝聚体的成熟和老化过程对电化学动力学的影响。研究表明，凝聚体在老化过程中会影响其电化学微环境，并进一步调节其化学和物理活性。

研究人员观测到，在凝聚体成熟和老化的过程中，密相内增强的分子间相互作用会持续调节两相之间的pH值、离子分布及凝聚体界面的表观pH值。研究推测，这些变化影响了凝聚体的电化学平衡，导致液-凝胶转变及界面效应作用于电双层，进而在凝聚体的不同阶段之间产生电势差。

为了直接监测凝聚体的相势与界面电势，研究团队创新性地结合电化学电位法和二次谐波生成（SHG）技术，揭示了凝聚体的动态特性如何反映在其不断变化的电化学势上。尽管界面电势描述了相边界处的电位差，但目前绝对电势差仍难以准确量化和测量。研究结果表明，生物分子凝聚体的非平衡特性可能在调节生命系统的电化学活动中发挥关键作用。

研究人员进一步探讨了凝聚体电化学特性对其功能的影响。先前的研究（Chem, 2023, 9, 1594）已表明，凝聚体的电化学环境决定了其化学活性，并可通过独特的电化学微环境调控化学功能。例如，凝聚体可利用界面电场促进依赖离子梯度的氧化还原反应。本研究进一步建立了凝聚体的电化学特性与其化学及物理活性之间的联系。研究发现，凝聚体的表面电荷依赖性双电层可以充当有源电场，驱动氧化还原反应并调节分子排列。双电层界定了界面电位，而相之间的电位差与界面电位之间的差异会产生电位屏障，被动调控带电小分子的传输。这些独特的物理和化学活动均受到凝聚体电化学特性的影响。

小结

本研究表明，生物分子凝聚体的电化学环境和物理化学活性，受老化相关的分子间相互作用及界面效应调控，而这一过程取决于凝聚体的电化学电位。研究人员强调，进一步探索凝聚体的“分子语法”，以理解其电化学性质如何编码信息，对于阐明电化学功能如何在细胞尺度上引发全局效应至关重要。这一研究不仅为凝聚体的老化和动力学行为提供了重要见解，还为细胞内电化学研究引入了全新的视角，并在细胞信号传导、生物分子相互作用和疾病机制等多个领域具有潜在应用价值。

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）：

Aging-dependent evolving electrochemical potentials of biomolecular condensates regulate their physicochemical activities

Wen Yu, Xiao Guo, Yu Xia, Yuefeng Ma, Zhongli Tong, Leshan Yang, Xiaowei Song, Richard N. Zare, Guosong Hong & Yifan Dai 

Nat. Chem., 2025, DOI: 10.1038/s41557-025-01762-7

导师介绍

Yifan Dai

https://www.x-mol.com/university/faculty/386161 

Richard N. Zare

https://www.x-mol.com/university/faculty/437 

Guosong Hong

https://www.x-mol.com/university/faculty/350954