デューク大学の研究者たちは、生物学的凝縮体と呼ばれる細胞構造の内部や周囲に、細胞膜と同じような不均衡な電荷が存在することを発見した。この構造は、水中に浮かぶ油滴のように、密度の違いによって存在しており、細胞膜という物理的な境界を必要とせず、細胞内にコンパートメントを形成している。これにより、生物化学に関する研究者の考え方が変わる可能性がある。また、地球上の最初の生命が、どのようにして誕生に必要なエネルギーを利用したのかを知る手がかりにもなりそうだ。
研究チームは、小さな生体凝縮液にも、水滴が空気や固体の表面と相互作用すると、電気的な不均衡が生じることを示した過去の研究にヒントを得て、同様のことが言えるかどうかを調べた。さらに、この不均衡が、他のシステムのように活性酸素（レドックス）反応を引き起こすかどうかも確認した。論文のタイトルは、「生体分子凝縮体の界面が酸化還元反応を制御する（Interface of Biomolecular Condensates Modulates Redox Reactions）」である。
デューク大学のポスドク研究者、ダイ・イーファン博士は、バイオメディカル工学のアラン・L・カガノフ特別教授とジェームズ・L・メリアム特別教授のリンチョウ・ユウ博士の研究室で、酵素のないプレバイオティクス環境におけるエネルギー源について研究を行っている。ダイ博士は、「界面は生物学的領域であるにもかかわらず、細胞膜以外ではほとんど研究されていない。そこで、我々は生物学的凝縮体の界面で何が起こっているのかを調べ、それが非対称系なのかどうかを確かめたいと考えた」と述べた。
細胞は、生物学的凝縮体を利用して特定のタンパク質や分子を分離したり、一緒に閉じ込めたりすることができる。しかし、凝縮体の機能や利用方法についてはまだ十分に理解されていない。ダイ博士らは、この分野に着目し、独自の研究を進めている。
ダイ博士は、「我々の研究は、反応エネルギーがどこから来るのかについて、新たな説明を与えるものである。電界中に置かれた点電荷に付与される位置エネルギーと同様に、反応エネルギーが発生することが明らかになった」と述べている。今後、ダイ博士らの研究成果が、生物学分野に新たな知見をもたらすことが期待される。
チルコティ研究所は、生物学的凝縮体の合成を専門としている。最新の研究で、極小の凝縮体が細胞の酸化還元活性を持つことが明らかになった。カリフォルニア大学バークレー校のクリストファー・J・チャン博士のグループのポスドク研究員のマルコ・メッシーナ博士の協力を得て、凝縮体を作るために適切な配合の構成要素を組み合わせた。そして、活性酸素の存在下で光る色素をシステムに追加した。すると、凝縮体の端から光が発せられる現象が確認された。
環境条件が整うと、凝縮体が光ることが分かった。それに気づいた戴博士は、スタンフォード大学マルグリット・ブレイク・ウィルバー教授（化学）のリチャード・ザレ博士に話を聞いた。ザレ博士は、生物系における新しい挙動を聞いて興奮し、根本的なメカニズムの解明に向けてグループと協力するようになった。
生体分子凝縮体に関するこれまでの研究のほとんどは、その内部に焦点を当てたものであった。しかし、チルコティ博士は、凝縮体が細胞にとって不可欠な重要な化学機能も備えていることを示唆していると述べた。細胞内で進行中のこの反応が生物学的にどのような意味を持つかは分かっていないが、ダイ博士はプレバイオティクスの例を挙げて、その効果がどれほど強力なものかを説明している。
研究者たちは、海の熱気や温泉が生命の最初のエネルギー源であると提唱してきた。また、水の微小滴の中で起こる酸化還元反応と同じように、海の波しぶきによって作られたという説もある。しかし、なぜ凝縮水ではないのでしょうか？
マジックが起こる
「物質が小さくなって、その体積に比べて界面容積が巨大になると、マジックが起こる可能性がある。」「その意味は、様々な分野に重要だと思う。」と、ダイ博士は語った。
[News release] [Chem abstract]
細胞内の生物学的凝縮物
