通过胸腺嘧啶二聚化实现光学驱动的机械化学与生物分子凝聚体融合动力学控制

使细胞液滴变硬的光

在活细胞内，许多分子会聚集成微小的液滴，帮助组织生命的化学反应。该研究表明紫外线（UV）可以作为一种无形的调节旋钮，调节这些液滴的流动性、融合性以及对内容物的保持能力，而无需添加新的试剂。这项工作将日常阳光引起的 DNA 损伤与软物质物理学联系起来，甚至提示早期地球上“原始细胞”如何应对强烈辐射的可能性。

像房间一样的微小液滴

细胞中存在生物分子凝聚体，这些液滴状隔室由某些蛋白质和核酸从周围液体中分离形成，有点像油在水中分离。这些液滴通常柔软、呈液态，允许分子进出并高效反应。然而，它们的内部稠度可以从流动状到凝胶样甚至固态不等。这种稠度强烈影响分子在其中的迁移和反应，进而塑造细胞行为，并可能影响与蛋白质聚集相关的疾病。到目前为止，大多数改变液滴力学的方法都涉及加入额外化学物质或改变盐浓度，而这也会同时改变液滴的组成。

用紫外光重塑基于 DNA 的液滴

研究人员用由胸腺嘧啶碱基组成的短 DNA 链和带正电的肽聚赖氨酸（poly-L-lysine）构建了这种凝聚体的简单模型。在适当的盐条件下，这些成分自发形成微观液滴。研究团队随后将样品暴露于 UVC 光——一种能促使邻近 DNA 中的胸腺嘧啶碱基发生键合形成“二聚体”的强紫外形式。通过光学显微、光谱学和抗体染色，他们确认这些二聚体在液滴内部形成。关键是，紫外照射改变了液滴的尺寸和形状：较长的照射导致更拉长的形态、更高比例的液滴以对或簇状黏连，以及液滴尺寸分布的变化，均表明材料正变得更刚性、流动性下降。

测量液滴如何变硬以及如何融合

为探测紫外光如何影响液滴力学，团队使用扫描探针显微镜，该技术用一根微小悬臂微弱地压迫并振荡单个液滴，以测量其抵抗形变的能力。照射前，液滴表现为简单液体，能量主要以黏滞流动损耗。适度紫外照射后，液滴显示出向固态行为的明显转变：弹性和黏性响应均急剧增加，在较高频率下液滴更像软凝胶而非流动液体。更强的紫外处理产生了更硬且更不均一的材料。通过改装同一工具，研究者开发了一种将两个液滴接触并记录融合过程中的受力的检测方法。未处理的液滴快速合并，表面张力占主导，而经紫外处理的液滴融合缓慢，粘附力较弱，力学迹线显示内部粘弹性阻力起了重要作用。

光照的时间与位置决定效果

紫外照射的时机被证明至关重要。如果在与肽混合之前对 DNA 进行照射，液滴仍会形成，但更小并且仍主要呈液态，这与键主要在单个 DNA 链内形成一致。当混合物在刚混合后立即被照射时，系统没有形成液滴，而是产生了延展的聚集网络，提示不同链之间形成了大量键。当在液滴已经形成后再施加紫外光，则选择性地强化了已存在的液滴，增加了密集内部链间的交联。这些交联减慢了分子交换，如荧光 DNA 的摄取减少以及光漂白后几乎不复原所示。一个简单模型捕捉了链内与链间键平衡如何共同决定刚性和融合力的行为。

稳定的液滴与对早期生命的启示

经紫外处理的液滴在极端环境变化下表现出惊人的稳健性。当周围液体突然被纯水或高盐溶液替换——这类条件通常会溶解此类凝聚体——这些液滴仍然存在。在低盐条件下，它们甚至出现了内部稀薄空腔，显示了单个液滴内的一种稳定分隔化形式。这表明紫外驱动的交联可以锁定液滴结构并创建对外界变化响应缓慢的内部“房间”。作者提出，在早期地球上，这类被光硬化的凝聚体可能帮助保护原始遗传物质，同时仍允许有用的化学反应进行；今天类似原理也可被用来构建光可编程的软材料和合成细胞器。

引用: Sheikhhassani, V., Wong, F.H.K., Bonn, D. et al. Optically driven control of mechanochemistry and fusion dynamics of biomolecular condensates via thymine dimerization. Nat Commun 17, 4436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70757-w

关键词: 生物分子凝聚体, 紫外光, 胸腺嘧啶二聚体, 相分离, 原始细胞