《Nature Communications》：Oxygen depletion in biomolecular condensates is dominated by macromolecular density
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本研究针对气体分子在生物分子凝聚体中分配规律未知的问题，通过系统改变内在无序重复蛋白序列构建蛋白质凝聚体模型，结合微电极技术、磷光寿命成像显微镜和分子动力学模拟，发现氧气在凝聚体中呈部分排斥状态，其分配程度与蛋白质密度呈负相关而非疏水性。该成果发表于《Nature Communications》，揭示了生物分子凝聚体可形成纳米级氧梯度，为调控细胞内生化反应的局部氧环境提供了新视角。
在细胞这个精密运转的"微型工厂"中，近年来科学家们发现了一种独特的区室化结构——生物分子凝聚体（biomolecular condensates）。它们如同液态的隔间，由蛋白质和核酸通过液-液相分离（LLPS）自发组装而成，动态地调控着各类生命活动。虽然已知许多代谢物会基于与凝聚体大分子组分的相互作用而选择性富集其中，但气体分子（尤其是生命活动不可或缺的氧气）是否也会发生类似分配行为，始终是未解之谜。理解氧气在凝聚体中的分布规律，对揭示细胞如何微调局部氧化还原反应、能量代谢乃至信号传导至关重要。
为攻克这一难题，研究团队设计了一套精巧的研究策略。他们选用具有内在无序区域（IDR）的重复蛋白作为模型，通过系统调整蛋白质序列构建出系列凝聚体，并综合运用微电极技术、磷光寿命成像显微镜（PLIM）和分子动力学（MD）模拟三大技术手段，精准量化了氧气在不同凝聚体中的分布情况。值得注意的是，本研究涉及的凝聚体样本均为通过重组蛋白技术人工构建的体外模型体系。
氧气在凝聚体中呈部分排斥状态
通过微电极直接测量和PLIM间接成像，研究人员发现氧气并非均匀分布在凝聚体内外，而是被部分排斥在凝聚体相之外。这意味着凝聚体内部形成了一个相对低氧的微环境。
氧分配与疏水性无直接关联
传统观点认为小分子在凝聚体中的分配主要受其与凝聚体组分的相互作用（如疏水作用）驱动。然而，通过对比不同疏水性程度的蛋白质形成的凝聚体，研究发现氧气的分配系数与凝聚体的整体疏水性并无显著相关性，挑战了现有认知。
蛋白质密度是氧分配的主导因素
分子动力学模拟揭示了关键机制：氧气浓度与凝聚体内的蛋白质密度呈显著负相关。密度越高，大分子骨架占据的空间比例越大，留给小分子（如氧气）的游离空间就越小，从而导致氧气的部分排斥。这一发现将大分子密度推向了调控小分子分配的核心地位。
凝聚体可产生纳米级氧梯度
基于上述发现，研究证实生物分子凝聚体具有在纳米尺度上形成氧气浓度梯度的能力。这种梯度可能直接影响凝聚体内部及周边区域的生化反应速率，例如调控需氧酶的活性或活性氧（ROS）的产生。
本研究结论指出，在缺乏代谢物与凝聚体组分特异性相互作用的情况下，大分子密度成为支配小分子（如氧气）分配的首要因素。这要求现有的小分子凝聚体分配理论需进行重要修正，纳入密度这一关键参数。其重要意义在于，首次揭示了生物分子凝聚体可作为细胞内的"纳米氧调节器"，通过调节局部氧气可用性，潜在地影响从代谢到应激响应等一系列细胞过程。这项发表于《Nature Communications》的工作，为理解细胞微环境调控提供了新的理论基础和实验依据。
