基於液-液相分離（LLPS）產生的無膜凝聚液滴是構建區室化的一種重要方法。最近研究表明，像蒸發這樣的自然過程可以形成微區室，並將生物分子與外部環境隔絕。這些凝聚液滴不僅是現代細胞多層級結構的關鍵基礎，而且可能在原始細胞的形成中發揮重要作用。它們可以充當能夠濃縮RNA分子的無膜隔室，那麼如何維持基於凝聚液滴的原始細胞的多層級結構，對於它們作為組織樞紐的功能十分重要。在該項工作中，利用蒸發中毛細流動在液滴內形成的流場駐點，防止凝聚液滴相互接觸，從而阻礙它們之間的融合，達到維持凝聚液滴作為獨立區室的目的；同時蒸發觸發了多重LLPS，形成了層級結構的凝聚液滴，並能夠主動募集RNA，對RNA世界假說提供了支撐。
圖 1. 在有機物潤溼表面上自主蒸發的固著液滴示意圖
示意圖展示了蒸發過程中的水分流失，溶質的濃度顯著增加，形成多重分離型和締合型LLPS。最終在蒸發液滴邊緣處形成具有核殼結構的凝聚液滴，並在流體動力學的作用下維持穩定。
圖2. 多組分液滴蒸發過程中核殼結構的形成以及各組分的分佈。a）示意圖和明場影象顯示了含有PEO、葡聚糖和凝聚液滴在液滴中的分層結構，這些凝聚液滴由兩種帶相反電荷的蛋白質（卵清蛋白和乳鐵蛋白）絡合。（b）熒光顯微影象顯示凝聚液滴的位置，並給出特定位置的相對熒光強度。（c）熒光顯微影象顯示了富含PEO和富含葡聚糖的對應位置，以及特定位置的相對熒光強度。（d）示意圖和時間序列光學顯微影象顯示了蒸發過程中核殼結構的形成過程：（i）分離型LLPS產生富含葡聚糖的液滴，分散在富含PEO的連續相中;（ii）富含葡聚糖的液滴融合成較大的液滴;（iii）蛋白質被富含葡聚糖的液滴募集，其濃度顯著增加，導致蛋白質的締合型LLPS形成;（iv）凝聚液液滴由於其液態特性而趨於融合，並最終形成穩定的核殼結構;（v）核殼結構在乾燥之前保持穩定
圖3. 由PEO和葡聚糖之間的分離型LLPS產生的ATPS液滴（不含蛋白質）形態。研究了兩種情況：無柄液滴在（a）有機物潤溼的基質上蒸發，（b）空白的基質上蒸發
圖4. 停滯環的形成和對流毛細流形成和維持核殼衛星艙的機理.（a）聚苯乙烯（PS）粒子在液滴內向停滯環移動，以及藍色直線上相應的灰度值分佈。（b）t=0 min（蒸發開始）和t=6 min處紫色熒光PS粒子分佈的俯檢視和側檢視，以及相應的熒光強度。（c）蒸發ATPS液滴的三維重建，其中顯示了高度z=42.48 μm的水平切片和液滴中間的垂直切片。（d）核殼結構形成和維持機制的示意圖
圖5. 熒光影象表明核殼區室中對RNA的募集。（a）當將RNA新增到多組分液滴中時，觀察到類似的核殼區室。（b）熒光影象顯示了核殼區室和 RNA的分佈位置，並給出了葡聚糖與RNA在特定位置的相對熒光強度
在該項研究中，利用有機相對液滴的部分覆蓋會改變區域性蒸發速率這一原理，促使液滴內的流場中形成駐點。這些駐點對於具有核殼結構凝聚液滴的形成以及之後的穩定至關重要。解釋了基於凝聚液滴的核殼隔室如何在有機物潤溼基底上無柄液滴的自發蒸發過程中的形成並維持相對穩定。此外，為驗證停滯環現象的普遍性，使用了其他方案來阻礙液滴邊緣的蒸發。例如，當固著液滴在凹坑內蒸發時，也會觀察到類似的現象。這些結構類似於封裝細胞內細胞器的真實細胞。最後證明了這些區室化的凝聚液滴可以積累RNA，為各種RNA型別的優先分配及其有組織的生化反應提供基礎。
該項研究結果揭示了自發蒸發與多重分離型與締合型LLPS之間相互作用的現象。更重要的是，實驗中的液滴在有機物潤溼表面上自主蒸發，不需要複雜的手動干預和設計，就能夠實現模擬現實場景下構建和維持具有複雜細胞結構的凝聚液滴細胞模型。該工作第一作者為深圳大學助理教授齊成，共同通訊作者為深圳大學副教授劉洲和孔湉湉。
作者簡介：
劉洲，深圳大學化學與環境工程學院特聘研究員、博導。主要從事微流控技術、流體物理、軟物質材料等方面的研究，在 Nature Communications、 Angewandte Chemie、 Advanced Materials、 Advanced Functional Materials、 ACS Nano等研究領域重要期刊上發表論文50餘篇。所獲榮譽包括日內瓦國際發明展銀獎、中國化學學會基礎研究二等獎、深圳市優青、深圳市高層次人才計劃B類，擔任中國化工學會微化工專委會青年委員等職務。
論文資訊：
C. Qi, X. Ma, Q. Zeng, Z. Huang, S. Zhang, X. Deng, T. Kong*, Z. Liu*, Multicompartmental coacervate-based protocell by spontaneous droplet evaporation, Nature Communications, 15 (2024) 1107.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45411-y
來源：高分子科學前沿
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