回想一下你在高中上的基础生物课。你可能学过细胞器，这些细胞内的小“器官”形成具有单独功能的隔室。例如，线粒体产生能量，溶酶体回收废物，细胞核储存DNA。虽然每个细胞器有不同的功能，但它们的相似之处在于每个细胞器都被膜包裹着。
膜结合细胞器是科学家们认为细胞组织方式的教科书标准，直到他们在2000年代中期意识到一些细胞器不需要被膜包裹。从那时起，研究人员发现了许多额外的无膜细胞器，这些细胞器极大地改变了生物学家对化学和生命起源的看法。
几年前，当我实验室的学生在细胞核中观察到一些不寻常的斑点时，我开始接触无膜细胞器，它的正式名称是生物分子凝聚物。我不知道的是，我们实际上已经研究生物分子凝聚物很多年了。我最终在这些斑点中看到的东西让我看到了细胞生物学的一个全新世界。
像熔岩灯
为了了解生物分子凝结物的样子，想象一下熔岩灯，里面的蜡团融合在一起，分开，再融合。冷凝物的形成方式大致相同，尽管它们不是由蜡构成的。相反，细胞中的一簇蛋白质和遗传物质，特别是RNA分子，凝结成凝胶状的液滴。
一些蛋白质和rna之所以这样做，是因为它们优先与彼此相互作用，而不是与周围的环境相互作用，就像熔岩灯中的蜡团相互混合，而不是与周围的液体混合。这些冷凝物创造了一个新的微环境，吸引了额外的蛋白质和RNA分子，从而在细胞内形成了一个独特的生化隔间。
截至2022年，研究人员已经发现了大约30种这种无膜生物分子凝聚物。相比之下，大约有12种已知的传统膜结合细胞器。
虽然一旦你知道你在寻找什么很容易识别，但很难弄清楚生物分子凝聚物的确切作用。有些具有明确的作用，如形成生殖细胞、应激颗粒和制造蛋白质的核糖体。然而，许多其他的没有明确的功能。
与膜结合细胞器相比，非膜结合细胞器可能具有更多和更多样化的功能。对这些未知功能的了解正在影响科学家对细胞如何工作的基本理解。
蛋白质结构与功能
生物分子凝聚物打破了人们长期以来对蛋白质化学的一些看法。
自从科学家们在20世纪50年代第一次对肌红蛋白的结构有了很好的了解以来，很明显，它的结构对它在肌肉中输送氧气的能力很重要。从那时起，生物化学家们的口头禅就是蛋白质结构等于蛋白质功能。基本上，蛋白质有特定的形状，使它们能够完成它们的工作。
形成生物分子凝聚体的蛋白质至少部分地打破了这一规则，因为它们包含无序的区域，这意味着它们没有确定的形状。当研究人员在20世纪80年代初发现这些所谓的内在无序蛋白质（IDPs）时，他们最初感到困惑的是，这些蛋白质为何缺乏强大的结构，但仍能发挥特定的功能。
后来，他们发现IDPs倾向于形成凝聚物。就像科学中经常出现的情况一样，这一发现解决了这些非结构化流氓蛋白质在细胞中扮演的角色的一个谜团，但却开启了另一个更深层次的问题，即生物分子凝聚物到底是什么。
细菌细胞
研究人员还在原核生物或细菌细胞中检测到生物分子凝聚物，这些细胞传统上被定义为不含细胞器。这一发现可能会对科学家如何理解原核细胞的生物学产生深远的影响。
只有大约6%的细菌蛋白质具有缺乏结构的无序区域，而真核生物或非细菌蛋白质中有30%至40%。但科学家们已经在原核细胞中发现了几种生物分子凝聚物，它们参与了多种细胞功能，包括制造和分解rna。
细菌细胞中生物分子凝聚物的存在意味着这些微生物不是简单的蛋白质和核酸袋，实际上比以前认识到的要复杂得多。
生命的起源
生物分子凝聚物也改变了科学家对地球上生命起源的看法。
有充分的证据表明，核苷酸——RNA和DNA的组成部分——很有可能在常见的能源（如紫外线或高温）存在的情况下，在普遍常见的矿物质（如二氧化硅和铁粘土）上，由常见的化学物质（如氰化氢和水）合成。
也有证据表明，单个核苷酸可以自发地组装成链来制造RNA。这是RNA世界假说的关键一步，该假说认为地球上最早的“生命形式”是RNA链。
一个主要的问题是这些RNA分子是如何进化出自我复制和组织成原始细胞的机制的。因为所有已知的生命都被包裹在膜中，研究生命起源的研究人员大多认为膜也需要包裹这些rna。这需要合成构成细胞膜的脂质或脂肪。然而，制造脂质所需的物质在早期地球上可能并不存在。
随着rna可以自发形成生物分子凝聚体的发现，形成原始细胞不再需要脂质。如果rna能够自行聚集成生物分子凝聚体，那么有生命的分子来自地球上无生命的化学物质的说法就更加可信了。
新的治疗方法
对于我和其他研究生物分子凝聚体的科学家来说，梦想这些打破规则的实体将如何改变我们对生物学如何运作的看法是令人兴奋的。冷凝物已经改变了我们对阿尔茨海默氏症、亨廷顿氏症和卢伽雷氏症等人类疾病的看法。
为此，研究人员正在开发几种新的方法来操纵医学用途的冷凝物，比如可以促进或溶解冷凝物的新药。这种治疗疾病的新方法是否会取得成果还有待确定。
从长远来看，如果每种生物分子凝聚物最终都被赋予了特定的功能，我不会感到惊讶。如果发生这种情况，你可以打赌，高中生物学生将有更多的东西要学——或者抱怨——在他们的生物入门课上。
Allan Albig是博伊西州立大学生物科学副教授。
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