Advanced Materials
生物分子凝聚体：新兴生物材料的功能机制及计算与实验方法的最新进展

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本文系统综述了生物分子凝聚体的形成机制及其在生理过程和疾病中的功能作用，同时讨论了其作为生物材料在药物递送和生物反应器设计中的应用潜力。文章全面总结了计算与实验方法在该领域的应用现状，并指出未来研究方向。

 

文献概述
本文《Biomolecular Condensates as Emerging Biomaterials: Functional Mechanisms and Advances in Computational and Experimental Approaches》，发表于《Advanced Materials》杂志，回顾并总结了生物分子凝聚体的形成机制、功能特性及其在健康与疾病中的作用。文章强调了生物分子凝聚体在基因调控、信号传导和应激反应中的关键作用，并探讨了其在药物递送、生物反应器设计等领域的应用潜力。

背景知识
生物分子凝聚体是一类通过液-液相分离（LLPS）形成的无膜细胞区室，广泛存在于真核细胞中，如核仁和应激颗粒等。它们能够动态组装和解组装，具有选择性和可逆性，是细胞功能的重要调节因子。LLPS的驱动因素包括蛋白质（尤其是固有无序蛋白）、核酸、盐浓度、pH、温度等。蛋白质中的多价结构域和低复杂度结构（LCD）是LLPS的重要调控元件。然而，凝聚体的异常相变（如液-固转变）与神经退行性疾病（如ALS、FTD）和癌症相关。目前，研究者正利用计算模拟和实验技术解析LLPS的分子机制，以期更好地理解其在生理和病理过程中的作用，并推动其在生物材料和药物递送中的应用。

 

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研究方法与实验
文章回顾了多种实验和计算方法在研究生物分子凝聚体中的应用，包括荧光显微镜、原子力显微镜、核磁共振、分子动力学模拟等。这些方法被用于分析凝聚体的形成条件、分子相互作用、环境响应性及其动态行为。此外，文章还讨论了人工设计短肽和蛋白质序列以调控LLPS行为的研究进展，包括利用人工智能进行高通量筛选，以减少实验偏差并提升设计效率。

关键结论与观点

• 生物分子凝聚体主要通过液-液相分离（LLPS）形成，受蛋白质、RNA、盐浓度、pH、温度等多种因素调控
• 固有无序蛋白（IDPs）和低复杂度结构域（LCDs）在LLPS中起关键作用，其相变行为可通过“贴纸与间隔”模型解释
• 电荷、芳香族残基、氢键、疏水作用和π–π相互作用是LLPS的主要分子驱动因素，其中多价相互作用是核心机制
• 生物分子凝聚体的相变可逆，但在特定病理条件下可转化为不可逆凝胶或固态聚集体，与神经退行性疾病和癌症相关
• LLPS在基因调控、免疫信号传导、染色质组织中具有关键功能，但其异常调控可能导致疾病发生
• 短合成肽、固有无序蛋白和RNA的组合为研究LLPS提供了可调模型，也为设计新型生物材料提供了基础
• 利用LLPS的动态特性，可构建响应性药物递送系统、生物反应器和生物传感器，提升药物稳定性与递送效率

研究意义与展望
该研究为生物分子凝聚体的形成机制和调控方式提供了系统性综述，强调了LLPS在健康和疾病中的双重角色，并提出整合计算和实验方法的必要性。未来研究方向包括更精确的分子模拟、活体成像技术、以及LLPS在生物材料、疫苗递送、基因治疗等领域的的工程化应用。

 

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结语
生物分子凝聚体作为液-液相分离驱动的无膜生物材料，其在细胞功能调控和疾病发生中具有双重作用。文章系统总结了其形成机制、分子驱动因素以及在生理和病理条件下的功能变化。通过结合实验与计算手段，研究者正在逐步揭示LLPS的复杂行为，为开发基于LLPS的药物递送系统和生物反应器提供理论基础。未来，调控凝聚体的相变行为可能为疾病治疗和生物材料工程带来突破性进展。

 

Qiang Zhu, Zahra Raza, Dzung Do‐Ha, Irina Kabakova, and Haibo Yu. Biomolecular Condensates as Emerging Biomaterials: Functional Mechanisms and Advances in Computational and Experimental Approaches. Advanced Materials (Deerfield Beach, Fla.).