大颗粒能进生物分子凝聚物吗？咋进去的？

大家好！今天一起来探讨生物分子凝聚物和大颗粒的那些事儿。平常我们听到生物分子，是不是觉得有点小复杂？

*本文只做阅读笔记分享*

一、生物分子凝聚物基础

生物分子凝聚能让细胞形成没有细胞膜包裹的区室。虽然没有膜，还常呈现液体的特性，可它们和细胞质以及彼此之间在化学组成上都不一样，有着独特的功能。

凝聚物的生化成分大致能分成两类：一类是支架，就像是搭建房子的框架，由多价相互作用的生物聚合物驱动相分离，从而形成凝聚物；另一类是客户分子，它们能进入凝聚物，但不是凝聚物组装所必需的。

以前大家大多研究小分子、蛋白质和核酸进入凝聚物的情况，现在我们要探究更大的颗粒能不能进去。

二、大颗粒能否进入凝聚物的疑问

问题来了，那些几十到几百纳米大小的大颗粒，能进入凝聚物吗？这个问题很关键，关系到我们对核糖体、酶复合物和病毒等大分子组装体进入凝聚物机制的理解。

目前已有的研究结果不太一致，有的实验表明大的右旋糖酐会被凝聚物排斥，可也有研究发现HIV-1病毒衣壳能穿过由FG重复蛋白凝聚形成的核孔复合体，还有MEG-3簇能吸附在P颗粒凝聚物的界面。

所以，还得系统研究一下，搞清楚大颗粒进入凝聚物有没有上限，以及背后的生物物理原理。

三、研究方法与模型凝聚物

假设是大的粘性颗粒可以通过与凝聚物支架的相互作用进入凝聚物。

为了验证这个假设，研究人员准备了各种不同尺寸和表面化学性质的纳米颗粒，像抗蛋白粘附的、通过特定蛋白-配体相互作用结合支架蛋白的，还有和凝聚物非特异性相互作用的。

然后研究这些颗粒在三种体外模型凝聚物中的分配情况，分别是LAF-1的RGG结构域、SARS-CoV-2核衣壳（N）蛋白和设计的聚阳离子重复多肽（GRGNSPYS）₂₅。这三种蛋白代表了参与凝聚物形成的常见蛋白类型，能帮我们更好地研究大颗粒的分配。

四、实验结果：分配取决于颗粒大小和结合相互作用

4.1 右旋糖酐实验

我们先看看右旋糖酐在凝聚物中的情况。把不同大小的右旋糖酐，10kDa、40kDa和70kDa，分别和三种凝聚物混合。

通过共聚焦显微镜测量它们的分配系数，发现右旋糖酐进入凝聚物的能力和它的大小成反比，70kDa右旋糖酐的分配系数比10kDa的低很多，这和之前的研究相符，也说明凝聚物的网格大小大概在5nm左右。

4.2 核糖体和抗体实验

不过，右旋糖酐和凝聚物的相互作用比较弱。猜测其他和支架蛋白相互作用强的大分子可能不一样。于是研究了核糖体和抗体。

核糖体直径约21nm，它在不同凝聚物中的分配情况不同，在（GRGNSPYS）₂₅中能均匀分配，在N蛋白凝聚物中分配不均，在LAF-1RGG凝聚物周围结合。

抗体实验也表明，有特异性亲和力的抗N蛋白IgG，尽管比70kDa右旋糖酐大，却能在N蛋白凝聚物中富集，而同种型对照抗体分配就弱很多，这说明基于亲和力，大分子是可以进入凝聚物的。

4.3 聚苯乙烯珠实验

接着用聚苯乙烯（PS）珠做实验，发现即使直径达1μm的PS珠也能进入LAF-1RGG凝聚物，而PEG化的PS-PEG珠却被排斥在外。这就明显看出，粘性珠子能进入凝聚物，非粘性的则不行，要是给颗粒加上和凝聚物有特异性相互作用的生物分子，说不定就能实现靶向分配。

五、模拟结果：尺寸和蛋白质-颗粒吸引力的竞争效应

为了进一步解释实验现象，做了分子动力学模拟。

模拟一个简单的二元系统，用“蛋白质”颗粒代表凝聚相，“珠子”颗粒代表大的客户分子。通过改变珠子的大小和蛋白质-珠子的相互作用能量这两个参数，发现小珠子更容易进入凝聚物，大珠子则容易被排斥；但增加蛋白质-珠子的吸引力，可以让大珠子进入凝聚物，在中间相互作用强度时，珠子会聚集在凝聚物表面。

还得出一个分析表达式，能解释颗粒大小、相互作用强度和分配之间的关系，也说明了任意大的珠子在足够强的相互作用下都能进入凝聚物。

六、分配控制：通过特异性结合

基于前面的结果，推测不同的蛋白质-配体相互作用能让大颗粒克服热力学障碍进入凝聚物。

就拿链霉亲和素和生物素这对超强非共价相互作用来说，它们亲和力超高。把链霉亲和素和RGG结构域融合，制备了PS-PEG-生物素珠子。

结果显示，大部分500nm的PS-PEG-生物素珠子能进入SA-RGG凝聚物，而对照的PS-PEG珠子大多被排斥。而且，生物素表面密度不同，珠子的分配情况也不同，这表明特异性高亲和力相互作用能驱动大颗粒进入凝聚物。

七、蛋白质-核酸相互作用驱动颗粒分配

之前核糖体的实验让我们想到，蛋白质-核酸相互作用可能也能驱动颗粒分配。于是对PS-PEG珠子进行改造，接上DNA寡核苷酸。

实验发现，PS-PEG-polyA20珠子能在N蛋白和（GRGNSPYS）₂₅凝聚物中分配，在LAF-1RGG凝聚物表面吸附。而且，核酸浓度、盐浓度、寡核苷酸长度和表面密度都会影响珠子的分配，说明蛋白质-核酸相互作用在其中起重要作用，并且这种相互作用的强度可以调节。

八、反向控制：逆转颗粒分配

不仅能让颗粒进入凝聚物，还能控制它们不进入或者把已经进入的颗粒弄出来。

比如先加入大量游离配体，占据凝聚物的结合位点，就能阻止珠子进入；对于已经进入的PS-PEG-polyA20珠子，提高盐浓度可以让它们迅速从LAF-1RGG凝聚物中出来，这表明我们可以通过调节条件来反向控制颗粒的分配。

九、正交分配：独特的靶向分配

还发现不同表面化学性质的颗粒能选择性地进入不同的凝聚物。比如PS-PEG-polyA5和PS-PEG-polyA40珠子与LAF-1RGG混合时，PS-PEG-polyA40进入凝聚物，PS-PEG-polyA5吸附在界面；PS-PEG-生物素和PS-PEG-polyA20珠子在SA-RGG和N蛋白凝聚物中的分配也不同。

当把SA-RGG和N蛋白凝聚物混合时，PS-PEG-生物素珠子几乎都进入SA-RGG凝聚物，PS-PEG-polyA20珠子几乎都进入N蛋白凝聚物，实现了正交分配。

十、研究意义与应用前景

在凝聚物生物学方面，能帮助我们理解细胞中凝聚物的分配是怎么在时空上调节的，像核糖体前体在核仁中的运输机制等。在合成生物学中，对设计用于正交蛋白质翻译的凝聚物有启发。在药物递送领域，也有很大的应用潜力，或许能通过改造纳米颗粒，让它们靶向与疾病相关的生物分子凝聚物，治疗神经退行性疾病、癌症和病毒感染等。

十一、一起来做做题吧

1、关于生物分子凝聚物，下列说法正确的是？

A.凝聚物必须有细胞膜包裹

B.客户分子是凝聚物组装所必需的

C.凝聚物的生化成分分为支架和客户分子

D.凝聚物与细胞质化学组成相同

2、在研究大颗粒能否进入凝聚物的实验中，关于右旋糖酐的实验结果，下列说法错误的是？

A.10kDa右旋糖酐比70kDa右旋糖酐更易进入凝聚物

B.右旋糖酐进入凝聚物的能力与大小成正比

C.实验表明凝聚物的网格大小约5nm

D.70kDa右旋糖酐在部分凝聚物中的分配系数低于1

3、在颗粒与凝聚物相互作用的模拟实验中，以下说法正确的是？

A.大珠子比小珠子更容易进入凝聚物

B.增加蛋白质-珠子的吸引力对大珠子进入凝聚物没有影响

C.当蛋白质-珠子相互作用较弱时，大珠子会完全被凝聚物排除

D.模拟实验中考虑了溶剂的明确影响

4、关于通过特异性结合控制颗粒分配的实验，下列说法正确的是？

A.链霉亲和素和生物素的相互作用亲和力较低

B.PS-PEG-生物素珠子中，生物素表面密度对其进入SA-RGG凝聚物没有影响

C.大部分500nm的PS-PEG-生物素珠子能进入SA-RGG凝聚物

D.对照的PS-PEG珠子也能大量进入SA-RGG凝聚物

5、在蛋白质-核酸相互作用驱动颗粒分配的实验中，以下说法错误的是？

A.PS-PEG-polyA20珠子在不同凝聚物中的分配情况不同

B.增加RNA浓度会促进PS-PEG-polyA20珠子进入N蛋白凝聚物

C.盐浓度会影响PS-PEG-polyA20珠子的分配

D.改变寡核苷酸长度和表面密度能调节PS-PEG-polyA20珠子的分配

参考文献：

Kelley, F.M., et al. Controlled and orthogonal partitioning of large particles into biomolecular condensates. Nat Commun 16, 3521 (2025).