細胞為了調控其內部複雜的生化反應，需要具有兩個重要性質的細胞隔室——有一個邊界用於隔離外界環境（細胞質）、內部物質可自由擴散。一些隔室通過細胞膜與外界隔開，然而有些隔室是無膜的（如核仁等）。理解無膜隔室彼此之間如何共存以及其與細胞質如何共存，是當前生物物理領域備受關注的難題。最新研究表明，無膜細胞器具有能夠流動、融合、形變等液態特徵，而液-液相分離被認為是無膜細胞器形成的物理機制。無膜細胞器處在由細胞骨架構成的彈性網絡中，細胞骨架對無膜細胞器的形成與尺寸會產生重要的影響，因此，研究彈性介導的液-液相分離對理解無膜細胞器的物性具有重要意義。
由於凝膠網絡中發生液-液相分離所產生的液滴與處在細胞骨架中的無膜細胞器具有相似的特徵，中國科學院理論物理研究所博士生韋學鋒在副研究員孟凡龍的指導下，與北京航空航天大學教授周嘉嘉、理論物理所研究員王延頲合作，建立了解析模型研究凝膠網絡的彈性介導的液-液相分離現象。如圖1所示，如果沒有彈性網絡，液體通過相分離會產生形狀不規則的液相；當存在彈性網絡時，液-液相分離會導致形成液滴。彈性網絡越硬，產生的液滴數密度越大，液滴的尺寸越小。當彈性網絡過于堅硬時，甚至不會有液滴產生。
圖1.（a）無彈性網絡時液-液相分離形成的結構（b）軟彈性網絡中形成的尺寸較大的液滴（c）中等硬度的彈性網絡中形成的數密度較大的小尺寸液滴（d）硬彈性網絡會抑制液-液相分離，導致無液滴產生
圖2.理論數值與實驗結果對比。（a）液滴尺寸隨著彈性網絡剪切模量的增大而減小（b）液滴數密度隨著彈性網絡剪切模量的增加而增加（c）稀相溶質的體積分數隨剪切模量增大近似線性增加
當體系達到平衡時，系統的自由能由三部分組成——彈性網絡和液體的混合自由能、液滴的表面能、液滴擠壓彈性網絡產生的彈性能。小液滴合併成大液滴會降低數密度，從而導致體系的表面能減小，但同時液滴尺寸的增大會導致體系的彈性能增加；這兩個因素的競爭關係決定了體系平衡時液滴的尺寸。圖2表明，理論結果與實驗數據相吻合。液滴尺寸隨著彈性網絡剪切模量的增大而減小，數密度隨著剪切模量的增加而增加，且稀相溶質的體積分數隨剪切模量增大近似線性增加。上述研究結果說明可通過調節彈性網絡的強度來控制液液相分離所得液滴的尺寸。該結論有望為細胞骨架中無膜細胞器的形成機理提供新視角。
相關研究成果發表在Physical Review Letters上。研究工作得到戰略重點研究計劃、國家自然科學基金的支持。該研究工作的數值計算在理論物理所的先進計算集群上完成。
來源：理論物理所
論文連結
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.268001
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