Физики из США, Китая и Японии нашли довольно простое объяснение тому, почему самые маленькие биомолекулярные капли могут жить часами и даже днями, хотя обычная эмульсия в таких условиях быстро укрупняется. На поверхности нанокапель возникает небольшой положительный заряд, и его хватает, чтобы притормозить слияние при столкновениях. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Сама ситуация знакомая. Если смешать две несмешивающиеся жидкости, сначала получается множество мелких капель, а потом система начинает «разбирать» лишнюю поверхность: крупные капли подрастают, мелкие исчезают. Обычно это идет двумя путями: через прямое слияние или через Оствальдовское созревание, когда вещество переходит от маленьких капель к большим.
С биомолекулярными конденсатами в клетках все выглядит не так прямолинейно. Это капли из белков и нуклеиновых кислот, обычно размером в десятки или сотни нанометров, и живут они куда дольше, чем подсказывает простая термодинамика. Тут есть и прикладной интерес: нарушения свойств таких конденсатов связывают со стресс-гранулами, регуляцией РНК и рядом нейродегенеративных заболеваний.
Группа Чэня Фэйпэна из Университета Гонконга взяла упрощенную модель: раствор двух противоположно заряженных полиэлектролитов, PDDA и PMA. В течение 12 часов ученые наблюдали за каплями методом динамического рассеяния света. Картина вышла довольно неровной: крупные капли размером от 500 нанометров росли быстро, средние почти не менялись, а самые мелкие, до 200 нанометров, за все время эксперимента почти сохранили исходный объем.
Расчеты показали, что для таких крупных молекул Оствальдовское созревание идет слишком медленно, так что основной механизм роста должен быть именно слияние. Но ему мешает электростатический барьер. Цепь PDDA длиннее, а коротким цепям PMA выгоднее оставаться в растворе, а не сидеть внутри плотной капли. Из-за этого часть отрицательных зарядов уходит наружу, и на поверхности остается небольшой избыток положительного заряда.
Измерения дзета-потенциала и компьютерное моделирование показали, что у маленьких капель этот поверхностный заряд сильнее всего. И вот тут появляется защита: нанокапли отталкиваются друг от друга и сливаются заметно хуже. Когда капля подрастает, барьер ослабевает, и дальнейшее укрупнение идет быстрее. Нечто похожее давно используют и в коллоидной химии — дзета-потенциал там служит удобным индикатором устойчивости дисперсий.
Для физики живой материи это еще и полезная рабочая модель. Не нужно сразу звать на помощь цитоскелет или какие-то специальные белки-стабилизаторы. Если вывод подтвердится на системах, которые ближе к клетке, станет проще описывать поведение конденсатов в цитоплазме и ядре, а заодно и управлять искусственными коацерватами — их используют и как модель протоклеток, и как мягкие реакторы.