十多年前科学家开始在细胞内发现奇特的液滴。如今研究人员正试图弄清楚这些无处不在的液滴如何形成及其意义所在。
多年来，如果你问科学家细胞内部是如何运作的，他们可能会说像一个高度组织化的工厂，不同的部门在划定的流水线上各自执行专门的任务。但如果现在再问的话，他们可能更倾向于将细胞比作一个混乱的开放式办公室，利用类似办公桌轮换的机制，不同类型的细胞质聚集在一起完成任务，然后分散到其他区域。
科学家们观察到，在细胞中到处都有大量的蛋白质和RNA粘在一起，凝聚成与周围环境不同的珠状液滴。这些动态区室使细胞能够执行从基因控制和DNA修复到废物处理和应激反应等的基本功能。它们往往是转瞬即逝的，并且不受封闭膜的阻碍——不像许多其他细胞成分，如线粒体，受到膜的束缚。当不需要一个液滴时它就消失了。
这些瞬时小珠产生于一个叫做相分离的过程，这涉及到分子组由于其密度或其相互作用方式的不同而自我隔离。这个观点十年前在生物学家中变得普遍，自2017年左右以来，相关出版物的数量每年增加约50%。生物学家引用相分离来解释胚胎如何发育、神经元如何交流、免疫系统如何抵御微生物等方面。而当这个过程出现问题时，从癌症和糖尿病到自闭症谱系障碍和神经退行性疾病似乎都会随之而来。
药物行业已经在探索如何将凝结物作为一种新的治疗方法的目标，其策略旨在破坏可能引发问题的聚集物，或以更精细的手段微调相行为。但是这个领域现在正处于十字路口。在最初的蜂拥而入、在细胞边边角角记录这个现象之后，现在科学家们开始提出更细节的问题。他们想知道这些小液滴在做什么，它们是如何形成的。
更重要的是，他们想知道如何证明这些无膜细胞器（或所谓生物分子凝聚物）真如许多报告所称那般广泛存在，且对细胞至关重要。
一些批评者质疑细胞中相分离某些描述的准确性，他们认为除了相分离之外，其他力量也可能产生液滴，研究者也对此作出了回应。但许多生物学家不买账。加拿多伦多病童医院的细胞生物物理学家Jonathon Ditlev说：“我们已经观察到聚集物的形成，而现在我们需要证明它们为什么重要。”
形态和功能“形态服从功能”的设计格言假定，物体的打造适应于特定的目的。尽管这对建筑师来说是适用的，但对生物学家来说却是个难题，因为他们必须对一个实体进行逆向工程，从结构推断出它的用途。从病毒大小的小球到与细菌相当的更复杂的结构，凝结物有各种形状和大小。科学家为所有这些相分离的液滴提出了主要功能：作为分子坩埚。
通过将成分集中在细胞中一处，液滴可以加速生化过程，并将反应物彼此分开，以防止不必要的相互作用。然而，这种说法至多是推论，甚至只是猜测。
要做到这一点，科学家们不仅必须了解聚集在液滴中的分子群，还要了解它们在液滴中的工作方式。这样才能尝试了解这种液滴一开始为什么会形成。在Mittag看来，目前最令人信服的证据来自达拉斯德克萨斯大学西南医学中心的生物化学家Mike Rosen的一个实验。
去年，他和他的前研究生William Peeples展示了相分离如何加速一组酶的动力学。他们使用了一个可以三维观察液滴的系统。在凝结物外面，酶反应缓慢、稳定地进行；而里面的酶活动速度大约快36倍。
正如其他实验室发现的那样，这些酶及其伴侣分子的局部浓度的增加能部分解释这些数据。但研究人员还发现，凝结物给这个过程提供了额外的结构：它们有助于在空间上组织酶，提供一个分子“支架”，使它们能够更容易地与反应物接触。然后，少量的反应物就能进一步促进酶的作用，使整体催化效率更高。去年9月发表的一项独立研究表明，在一系列广泛的酶中也有这种支架效应。
建⽴另⼀种更好地了解某物如何工作的⽅法是从头开始建立它。在2020年，三个独立的研究小组用一种被称为应力颗粒的专门类型的凝结物做到了这一点。这些存储泡泡含有蛋白质和RNA。它们在应对细胞或环境的困难时形成，帮助封存和保护关键的细胞工具，直到环境改善。但是，正如一个杂乱的衣柜会滋生危险的大量灰尘或成为火灾隐患一样，压力颗粒如果不及时清理，也会在细胞中造成伤害。
科学家们曾通过制造简单版本的液滴，以及通过使用药物抑制剂和基因工具调整细胞中的天然凝结物，来研究相分离的液滴是如何工作的，检验如果它们受到干扰会发生什么。但是，这三个小组是第一个严格意义上自下而上复制出凝结物的小组。结合实验技术、理论和详细的原子模拟，他们破译了许多掌控凝结物形成的生物物理规律。例如，他们表明有一种特定的支架蛋白，似乎是压力颗粒组装的中心。
当细胞遇到逆境时，这种称为G3BP1的蛋白质会改变形状，促使附近的RNA分子与之连接并促进集群。有了对这一关键机制的理解，研究人员现在开始探究这些区室如何动态形成和分裂，以及哪些分子驱动其生命周期的每个部分。
这些工作应有助于解决凝结物领域中最大的争议之一：它们究竟如何形成。
北卡罗来纳大学教堂山分校的细胞生物学家Amy Gladfelter指出，关于凝结物来自相分离的大部分证据出自试管实验，可能无法反映活细胞的状况，尤其是，这些凝结物比自然状态下大几个数量级。在一次线上会议中她说：“我们被引去研究这些诱人的大液滴，它们尺度宏观，夺人注意力。
”该会议由德国研究基金会（DFG）和密苏里州圣路易斯华盛顿大学新成立的生物分子凝结物中心于去年10月底召开，旨在讨论凝结物生物学的开放问题和挑战。
但是许多关键功能可能发生在科学家观测不到的尺度上。研究人员还对分子可能集中到无膜区室的确切机制有不同意见，而即使最好的技术也很难看到这些过程。因此，尽管生物学家在过去十年中在试管实验、细胞和动物模型中处处见到凝结物，一些批评者仍担心许多观察结果可能只是镜花水月。
要弄清楚一个液滴是否是相分离的产物，部分挑战在于它们的外观和组成千差万别。
在他们具有里程碑意义的2009年论文中，马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的细胞生物学家Tony Hyman和现就职于新泽西州普林斯顿大学的生物物理学家Cliff Brangwynne，描述了RNA和蛋白质的团块像玻璃板上的水珠一样分分合合。作者写道：“它们看起来就像液滴润湿着表面。”研究人员将这一现象归结为“液-液相分离（LLPS）”，一个类似于油滴悬浮在醋中的分层过程。
LLPS似乎在细胞中随处可见，例如在细胞核中的小体、在基因活动位点和参与细胞分裂的结构中。
但其中一些液泡的行为更像固体而不是液体，或者说它们呈现出粘稠的凝胶状。意识到更复杂的生物物理学在起作用，而不仅仅是液体拉开，Hyman和Rosen于2017年为这些区室创造了一个概括性的名称：生物分子凝结物。这个名字没有说明这些蛋白质和核酸的集合体是如何形成或解体的。Rosen解释说：“这是特地没有涉及其机制。”
除了这种类似油醋分离的过程，这些关联结构特定部分之间的物理和化学相互作用也很重要。
例如，凝结物组装的一个热点，原来是缺乏稳定三维结构的蛋白质那些不稳定的部分，它们与其他分子和溶剂相互作用，引导相分离。进一步的实验和理论表明，大量的力共同作用导致了凝结物的形成。学术圈中的一些人试图使该领域更精确，引导研究人员找出液泡是通过相分离还是以其他方式形成。
Mittag和计算生物物理学家Rohit Pappu（华盛顿大学凝结物中心主任）提出了一个框架，规定了如何检查凝结物是否真的存在，包括液泡内外的密度差异，以及内部分子之间的物理交联。他们还提出了测试相分离的方法，如旨在显示浓度阈值的实验。因为密度的变化或物理相互作用（或两者都有），在浓度阈值以上会形成液滴。
根据Mittag的说法，对这一过程更正式的定义是“在我们对相分离的概念理解方面迈出的非常重要的一步”。但她承认，这也提高了科学标准，产生了更多问题。“所以到头来，”Mittag说，“我其实认为我们还没有真正摆脱争议。”
大部分反对来自加州大学伯克利分校的生物化学家Robert Tjian。2019年，他和同事发表了广为流传的评论，对该领域的科学严谨性提出了质疑。
而《科学》上发表的一篇新闻文章使这一批评反响更广。Tjian说，他赞赏Mittag和Pappu等科学家为解决顾虑所做的工作。而且他乐见为超越简单解释所采取的行动。Tjian说：“这显然仍是一个相当复杂和定义模糊的领域”，他期待着相分离的支持者进行“实质的鉴别性实验”。该领域的许多人承认，Tjian的谨慎态度促使他们在科学上更加严格要求。然而，少数研究人员仍坚持怀疑态度。
德国马克斯-普朗克分子生理学研究所的机械细胞生物学家Andrea Musacchio今年早些时候发表了一篇对该领域的严厉评论。他指出Pappu和Mittag提出的框架“基本上推翻了迄今为止关于相分离的全部文献”。其他凝结物研究人员支持要求更加严谨的呼吁，但也表示相分离在某些情况下对细胞有重要作用。
没多少人采纳Musacchio那么严苛的观点。正如德克萨斯州休斯顿贝勒医学院的生物物理学家Josh Riback所指出的，科学理解随着时间的推移自然变得成熟。他说，当涉及到这样一个新概念时，“你会始于简单，逐渐建立起复杂性。”
尽管学术界争论未息，药物猎手们已经在拥抱这一概念。
自2019年以来，马萨诸塞州波士顿的Dewpoint Therapeutics等专注于凝结物的生物技术公司已经集体筹集了超过5亿美元的资金，而一些知名公司已经与凝结物初创公司签订了合作协议。大多数对相分离感兴趣的公司都优先考虑癌症和神经系统疾病的药物开发，这两类疾病经常与出现问题的凝结物有关。有时，这些凝结物含有有毒的蛋白质，最简单的治疗手段是用药物溶解它们，或预防其形成。
例如，在运动神经元疾病（肌萎缩性脊髓侧索硬化症）中，许多疾病突变可以使凝结物比平时更粘稠，导致高密度的积聚物，是退行性神经肌肉疾病的一个标志。在癌症中，促进或抑制肿瘤的蛋白质可能最终出现在错误的区室或达到错误水平，导致肿瘤生长。总部位于中国上海的奕拓医药有一个处于早期临床试验的癌症候选药物。这种实验性药物被命名为ETS-001，针对一种肿瘤相关的酶。
据公司联合创始人兼首席执行官朱继东和同事表明，这种酶的突变形式在凝结物中积累，导致信号级联，会刺激细胞的失控增长。ETS-001与该酶结合，阻止凝结物的形成并扼杀肿瘤。上个月，朱继东与合作者描述了另一个治疗前列腺癌的候选药物，它能破坏被认为能使这类癌症对某些标准疗法产生抗性的凝结物。
其他疾病可能需要更谨慎地对待凝结物。
总部位于纽约市的世界最大制药商辉瑞公司正在与Dewpoint公司合作，开发针对一种肌营养不良症的凝结物治疗方法，这是一种影响肌肉和其他身体系统的罕见遗传疾病。在这种疾病中，凝结物往往在受影响细胞中的错误位置积聚，它们更需要稳定而不是破坏。Dewpoint正专注研究的其他疾病同样需要这样的精细度。
公司的生物化学家Phi Luong和他的团队一直在研究一种神秘的神经退行性疾病，发现受影响的细胞核核仁（即细胞核中密集的球形凝结物，制造蛋白质的核糖体在这里聚集）在患病的细胞中呈现出异常的形状。完全破坏核仁会杀死细胞。因此Luong认为，团队的目标是找到具有更精细、更具修复性的候选药物，而非乱打一气。
而且由于许多药物倾向于在凝结物中积累，这些液泡本身可能也代表了一种新的递送策略，使药物能够集中在需要的作用部位。实际上，凝结物在目标分子和整个细胞之间提供了一个中间地带。Tuomas Knowles说，这是了解细胞的一种方式，“通过观察单个构件是看不到这些的。”他是英国剑桥大学的生物物理学家，也是马萨诸塞州剑桥市Transition Bio公司的共同创始人和首席技术官。
据统计，数以百计甚至以千计的疾病状态可能由凝结物相关机制所推动。“任何器官系统或相关疾病都需考虑致病性突变造成凝结物失调的可能性。”马萨诸塞州剑桥市Whitehead研究所的生物学家、Dewpoint公司的联合创始人Rick Young说，他与合作者在七月发表了这项分析。“已得到研究的细胞过程，现在没有哪个已知不涉及凝结物，”Young说，“它真是几乎哪儿都有。”