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細胞內的神秘液滴：相分離如何改變生物學？
在生物化學的領域，生物分子凝聚物（biomolecular condensates）是一類無膜的細胞器和細胞器亞域，負責執行細胞內的專門功能。這些凝聚物的組成並不受邊界膜的控制，而是透過各種不同的過程形成和維持組織。最知名的過程為蛋白質、RNA及其它生物大分子進行相分離，形成如膠體乳液、凝膠、液晶、固態晶體或細胞內的聚集體。
生物分子凝聚物的出現，徹底改變了我們對細胞內部結構的理解和功能認知。
歷史背景
微胞理論
微胞理論由卡爾·內蓋利於1858年提出，他詳細研究了澱粉顆粒。他認為，澱粉和纖維素等無定形物質由建構單元組成，這些建構單元以鬆散的晶體排列形成微胞。水可穿透這些微胞之間，新微胞可在舊微胞間形成。這種模型不僅用於描述澱粉顆粒的膨脹，也應用於植物細胞壁的纖維素。
膠體相分離理論
19世紀末，威廉·貝特·哈代和艾德蒙·比徹·威爾遜將細胞質（當時稱為“原生質”）描述為一種膠體。哈代在研究球蛋白的過程中，將生物膠體的形成與相分離聯繫起來，強調了膠體粒子在溶劑中如何分散並形成內部相。隨後的研究中，科學家開始重新審視相分離這一現象在細胞內部結構中的重要性。
相分離的回顧
隨著20世紀末共聚焦顯微鏡技術的進步，研究人員發現蛋白質、RNA或碳水化合物能夠集中於許多無膜的細胞群組中。這一時期將相分離的概念重新引入細胞生物學，提出生物大分子在細胞內部進行相分離的觀念。
相分離的例子
細胞質凝聚物
在細胞質中發現的許多凝聚物，例如路易小體（Lewy bodies）、應激顆粒、P顆粒等，是經由液-液或液-固相分離形成的。這些結構在細胞內具有重要的生物功能，其形態和動態特徵正在得到更多研究的關注。
核內凝聚物
核仁、核斑及其他核內結構也被認為是通過與細胞質內部結構相似的相分離機制形成的，這同樣針對了生物分子凝聚物的範疇。
相分離在生物學中的角色
相分離被視為細胞內部協同作用的核心，許多生物過程如信號轉導、基因表達調控等都顯示出與纖維狀結構和液滴相分離有關。舉個例子，Wnt信號通路中的超分子複合體即是由Dsh蛋白透過相分離與聚集，從而在信號傳遞中扮演重要角色。
許多相分離的過程在細胞健康與疾病狀態之間有著密切的聯繫，對於疾病的探索正成為未來生物醫學研究的一個重要方向。
合成生物分子凝聚物
合成生物學中，科學家已經開始開發合成生物分子凝聚物，這些合成的凝聚物可用於探究細胞組織和功能。透過靈活的設計和控制，合成凝聚物能夠提供反應性、效率和調控能力，並可能用於藥物傳遞平台。
研究方法
為了深入了解這些生物分子凝聚物的動態特性和細胞的基本運行原則，科學家們利用多種技術進行觀察和研究，包括高解析度顯微鏡、蛋白質標記以及活細胞成像等，這些方法使得他們可以追踪和操控凝聚物的行為，進一步促進了生物學及醫學領域的進展。
隨著對生物分子凝聚物理解的加深，未來我們或許能夠更清晰地探討它們在生物學中的作用，甚至可能開啟治療多種疾病的新思路。這些液體狀態的神秘結構，究竟對生命的運行有多大的影響呢？
