慕尼黑路德维希马西米兰大学（LMU）的生物物理学家已经证明，在生物系统中可能会出现一种称为扩散电泳的现象，这种现象会导致粒子定向运输。

为了履行其生物功能，细胞必须确保其后勤计划顺利实施，使所需的分子货物准时到达目的地。细胞中大多数已知的运输机制都是基于待运输货物和将货物运送到目的地的耗能运动蛋白之间的特定相互作用。由LMU物理学家Erwin Frey（统计和生物物理主席）和马克斯·普朗克生物化学研究所的petra Schwille领导的一组研究人员现在首次表明，即使在没有分子马达的情况下，粒子也可以在细胞中发生定向输运。此外，该研究小组在最新一期的《自然物理学》上报告说，这种机制可以根据粒子的大小对传输的粒子进行分类。

该研究集中于大肠杆菌的MinDE系统，这是一种已建立的重要的生物模式形成模型。MinD和MinE这两种蛋白质在杆状细胞的两极之间振荡，它们在细胞膜上的相互作用最终将细胞分裂的平面限制在细胞的中心。在这种情况下，研究人员利用纯化的Min蛋白和人工膜在试管中重建了形成模式的MinDE系统。正如先前的实验所预期的，当富含能量的分子ATp加入到这个系统中时，Min蛋白重现了细菌细胞中的振荡行为。更重要的是，实验人员进一步证明，许多不同种类的分子在穿过细胞膜时都会被振荡波所捕获，甚至那些与模式形成无关的分子在细胞中根本找不到在更详细地分析运输机制后，研究小组转向了由DNA折纸组成的货物，这些货物可以固定在膜上。这种策略允许人们根据DNA链之间可编程的碱基配对相互作用，创造出不同大小和形状的分子结构。”

这些实验表明，这种运输方式取决于货物的大小，大脑甚至可以根据货物的大小对结构进行分类，”佩特拉·施威勒所在部门的博士后、这项新研究的联合第一作者比阿特丽斯·拉姆（Beatrice Ramm）说。在理论分析的帮助下，弗雷的小组进一步确定了潜在的传输机制，即扩散电泳——粒子沿浓度梯度的定向运动。在Min系统中，货物和扩散的Min蛋白之间的摩擦负责货物的运输。因此，在这种情况下，关键的因素不是一组特定的生物化学相互作用——例如通过生物细胞中的运动蛋白运输——而是所涉及的粒子的有效大小。

这篇论文的联合第一作者安德烈·戈伊丘克说：“由于颗粒的大尺寸，受摩擦影响更大的颗粒也会被进一步输送——这就是根据大小进行分类的原因。”，该团队已经证明了在生物模式形成系统中，一种基于扩散电泳的纯物理（相对于生物）形式的运输方式的参与。”弗雷说：“这个过程是如此简单和基本，似乎它也在其他细胞过程中发挥作用，甚至可能在生命起源的最早细胞中也有应用。”他补充说：“在未来，利用它来定位人工微小细胞中特定位置的分子也是可能的。”

Journal Reference:

Beatrice Ramm, Andriy Goychuk, Alena Khmelinskaia, philipp Blumhardt, Hiromune Eto, Kristina A. Ganzinger, Erwin Frey, petra Schwille. A diffusiophoretic mechanism for ATp-driven transport without motor proteins. Nature physics, 2021; DOI: 10.1038/s41567-021-01213-3