人體嚴(yán)重依賴電荷。閃電般的能量脈沖穿過(guò)大腦和神經(jīng)，大多數(shù)生物過(guò)程依賴于穿過(guò)我們身體每個(gè)細(xì)胞膜的電離子。
這些電信號(hào)是可能的，部分原因是存在于細(xì)胞膜兩側(cè)的電荷不平衡。直到最近，研究人員還認(rèn)為膜是造成這種不平衡的重要組成部分。但是，當(dāng)斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)水和空氣的微滴之間可能存在類似的不平衡電荷時(shí)，這種想法發(fā)生了轉(zhuǎn)變。
現(xiàn)在，杜克大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些類型的電場(chǎng)也存在于另一種稱為生物凝聚物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周?chē)?。就像漂浮在水中的油滴一樣，這些結(jié)構(gòu)的存在是因?yàn)槊芏鹊牟町?。它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)形成隔室，而不需要膜的物理邊界。
受到先前研究的啟發(fā)，這些研究表明水的微滴與空氣或固體表面相互作用會(huì)產(chǎn)生微小的電不平衡，研究人員決定看看小生物冷凝物是否也是如此。他們還想看看這些不平衡是否引發(fā)了活性氧，“氧化還原”，像其他系統(tǒng)一樣的反應(yīng)。
他們的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)于28月<>日發(fā)表在《化學(xué)》雜志上，可能會(huì)改變研究人員對(duì)生物化學(xué)的看法。它還可以提供關(guān)于地球上第一個(gè)生命如何利用產(chǎn)生所需的能量的線索。
“在沒(méi)有酶催化反應(yīng)的益生元環(huán)境中，能量從何而來(lái)?”杜克大學(xué)博士后研究員Yifan Dai問(wèn)道，他在Ashutosh Chilkoti實(shí)驗(yàn)室工作，Alan L. Kaganov生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授和Lingchong You，James L. Meriam生物醫(yī)學(xué)工程杰出教授。
“這一發(fā)現(xiàn)為反應(yīng)能可能來(lái)自哪里提供了一個(gè)合理的解釋，就像放置在電場(chǎng)中的點(diǎn)電荷所傳遞的勢(shì)能一樣，”戴說(shuō)。
當(dāng)電荷在一種材料與另一種材料之間跳躍時(shí)，它們可以產(chǎn)生可以配對(duì)并形成羥基自由基的分子片段，其化學(xué)式為OH。然后它們可以再次配對(duì)以形成微小但可檢測(cè)量的過(guò)氧化氫(H2O2)。
“但是在細(xì)胞膜以外的生物體系中很少研究界面，這是生物學(xué)中最重要的部分之一，”戴說(shuō)。“所以我們想知道生物凝聚物的界面會(huì)發(fā)生什么，也就是說(shuō)，如果它也是一個(gè)不對(duì)稱的系統(tǒng)。
細(xì)胞可以構(gòu)建生物凝聚物來(lái)分離或捕獲某些蛋白質(zhì)和分子，阻礙或促進(jìn)其活性。研究人員剛剛開(kāi)始了解冷凝水的工作原理以及它們的用途。
由于Chilkoti實(shí)驗(yàn)室專門(mén)研究天然存在的生物凝聚物的合成版本，研究人員很容易為他們理論創(chuàng)建一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。在結(jié)合正確的積木配方以產(chǎn)生微小的冷凝物后，在博士后學(xué)者M(jìn)arco Messina的幫助下?加州大學(xué)伯克利分校的Christopher J. Chang小組向系統(tǒng)中添加了一種染料，在活性氧存在下會(huì)發(fā)光。
他們的預(yù)感是對(duì)的。當(dāng)環(huán)境條件合適時(shí)，凝結(jié)水的邊緣開(kāi)始發(fā)出固體光芒，證實(shí)了以前未知的現(xiàn)象在起作用。戴接下來(lái)與斯坦福大學(xué)瑪格麗特·布萊克·威爾伯化學(xué)教授理查德·扎爾(Richard Zare)進(jìn)行了交談，他的小組建立了水滴的電行為。Zare很高興聽(tīng)到生物系統(tǒng)中的新行為，并開(kāi)始與該小組合作研究潛在的機(jī)制。
“受到以前關(guān)于水滴的工作的啟發(fā)，我的研究生Christian Chamberlayne和我認(rèn)為相同的物理原理可能適用并促進(jìn)氧化還原化學(xué)，例如過(guò)氧化氫分子的形成，”Zare說(shuō)。“這些發(fā)現(xiàn)表明為什么冷凝物在細(xì)胞功能中如此重要。
“以前大多數(shù)關(guān)于生物分子凝聚物的工作都集中在它們的內(nèi)臟上，”Chilkoti說(shuō)。“Yifan發(fā)現(xiàn)生物分子縮合物似乎具有普遍的氧化還原活性，這表明縮合物并不是簡(jiǎn)單地進(jìn)化來(lái)執(zhí)行通常所理解的特定生物學(xué)功能，而且還被賦予了對(duì)細(xì)胞至關(guān)重要的關(guān)鍵化學(xué)功能。
雖然我們細(xì)胞內(nèi)這種持續(xù)反應(yīng)的生物學(xué)意義尚不清楚，但戴指出了一個(gè)益生元的例子，說(shuō)明它的效果可能有多強(qiáng)大。我們細(xì)胞的動(dòng)力源，稱為線粒體，通過(guò)相同的基本化學(xué)過(guò)程為我們生命的所有功能創(chuàng)造能量。但是，在線粒體甚至最簡(jiǎn)單的細(xì)胞存在之前，必須有一些東西為生命的第一個(gè)功能提供能量才能開(kāi)始工作。
研究人員提出，能量是由海洋或溫泉中的熱噴口提供的。其他人則認(rèn)為，在水微滴中發(fā)生的這種相同的氧化還原反應(yīng)是由海浪噴霧產(chǎn)生的。
但為什么不改用冷凝水呢?
“當(dāng)物質(zhì)變得微小并且界面體積與其體積相比變得巨大時(shí)，就會(huì)發(fā)生魔術(shù)，”戴說(shuō)。“我認(rèn)為這些影響對(duì)許多不同的領(lǐng)域都很重要。
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