此前未被知晓的细胞内电力可能为生物学研究提供动力

人体在很大程度上依赖于电荷。闪电般的能量脉冲飞过大脑和神经，大多数生物过程都依赖于电离子穿过我们身体中每个细胞的膜。这些电信号之所以可能，部分原因是细胞膜两侧存在着不平衡的电荷。直到最近，研究人员认为膜是造成这种不平衡的一个重要组成部分。但是，当斯坦福大学的研究人员发现类似的不平衡电荷可以存在于水和空气的微滴之间时，这种想法被颠覆了。

生物凝结物，有点像水中的油滴，蕴藏着不平衡的电荷，可能为早期生命的开始提供所需的能量。

现在，杜克大学的研究人员发现，这些类型的电场也存在于另一种类型的细胞结构内和周围，称为生物凝结物。就像漂浮在水中的油滴一样，这些结构的存在是因为密度的不同。它们在细胞内形成隔间，而不需要膜的物理边界。

以前的研究表明，与空气或固体表面相互作用的微水滴会产生微小的电不平衡，受此启发，研究人员决定看看小型生物冷凝物是否也是如此。他们还想看看这些不平衡是否像这些其他系统一样引发了活性氧，"氧化还原"反应。

他们的基础性发现于4月28日发表在《化学》杂志上，可以改变研究人员对生物化学的思考方式。它还可能提供一条线索，说明地球上的第一个生命是如何利用产生所需的能量的。

"在没有酶催化反应的前生物环境中，能量从何而来？"在生物医学工程系Alan L. Kaganov特聘教授Ashutosh Chilkoti和生物医学工程系James L. Meriam特聘教授Lingchong You的实验室工作的杜克大学博士后研究员戴一凡问。这一发现为反应能量的来源提供了一个合理的解释，就像放在电场中的点状电荷所获得的势能一样。

当电荷在一种材料和另一种材料之间跳跃时，它们可以产生分子碎片，这些碎片可以配对并形成羟基自由基，其化学式为OH。然后这些可以再次配对，形成过氧化氢（H2O2），数量微小但可检测。但是，除了细胞膜之外，界面很少在生物系统中被研究，而细胞膜是生物学中最重要的部分之一。

"所以我们想知道在生物凝结物的界面上可能会发生什么，也就是说，如果它也是一个不对称的系统。"

细胞可以建立生物凝结物，将某些蛋白质和分子分开或困在一起，阻碍或促进它们的活动。研究人员刚刚开始了解凝结物是如何工作的，以及它们可以用来做什么。

Chilkoti实验室擅长创造自然发生的生物凝结物的合成版本，研究人员很容易为他们的理论创造一个试验台。在加州大学伯克利分校克里斯托弗-J-张小组的博士后学者马可-梅西纳的帮助下，他们将一种染料添加到系统中，在活性氧的存在下发光。

在一项突破性的研究中，研究人员发现了生物凝结物中的电活动，这些细胞结构以前并不知道会有这种活动。传统上，科学家们认为，对生物过程至关重要的电不平衡只能存在于细胞膜之间。然而，这项研究在之前发现这种不平衡可能发生在空气和水微滴之间的研究基础上，揭示了类似的电场也存在于生物凝结物内部和周围。研究人员发现，这些不平衡可以引发活性氧或 "氧化还原 "反应。这一发现不仅挑战了现有的对生物化学的理解，而且还可以提供关于地球上第一个生命如何利用其存在所需能量的见解。

他们的预感是正确的。当环境条件合适时，凝结物的边缘开始发出光芒，证实了一个以前未知的现象在起作用。Dai接下来与斯坦福大学Marguerite Blake Wilbur化学教授Richard Zare进行了交谈，他的小组建立了水滴的电气行为。Zare听到生物系统中的新行为后非常兴奋，并开始与该小组合作研究其潜在机制。

Zare说："受到以前关于水滴的工作的启发，我的研究生Christian Chamberlayne和我认为同样的物理原理可能适用并促进氧化还原化学，例如过氧化氢分子的形成。这些发现表明为什么凝结物在细胞的运作中如此重要。"

"以前关于生物分子凝结物的大多数工作都集中在它们的内部，"Chilkoti说。"生物分子凝集物似乎具有氧化还原活性，这表明凝集物并不像人们通常理解的那样简单地进化为执行特定的生物功能，而是它们还被赋予了一种对细胞至关重要的化学功能。"

虽然我们细胞内的这种持续反应的生物学意义尚不清楚，但研究人员指出了一个生物前的例子，说明其影响可能是多么强大。我们细胞的动力中心，称为线粒体，通过相同的基本化学过程为我们所有的生命功能创造能量。但是在线粒体或甚至最简单的细胞存在之前，必须有东西为生命的最初功能提供能量才能开始工作。

研究人员提出，这种能量是由海洋中的热喷口或温泉提供的。还有人提出，这种发生在水微滴中的氧化还原反应也是由海浪的喷射产生的。

"当物质变得微小，界面体积与它的体积相比变得巨大时，神奇的事情就会发生，"Dai说。"我认为其影响对许多不同的领域都很重要。"