回复Dey和Schreiber：细胞内扩散的多孔介质模型并不局限于惰性分子

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Reply to Dey and Schreiber: Porous media framework of intracellular diffusion is not limited to inert molecules

细胞质扩散模型中弱负电分子与惰性分子扩散特性相似，支持多孔介质框架；模型可扩展至静电作用，实验基于GFP和惰性多糖，显示拥挤导致扩散阻力，但承认非特异性静电作用的影响，宏观方程中静电表现为反应项而非扩散系数。

　　

在他们的论文中，Dey和Schreiber（1）认可Destrian等人（2）提出的多孔介质框架对于研究惰性大分子的细胞内扩散具有相关性。然而，他们也指出细胞质和许多生物分子都带有电荷，这要求我们将模型扩展到考虑静电相互作用的情况。虽然我们同意这一分析，但我们认为Dey和Schreiber使用的大部分数据表明，弱负电荷分子的扩散特性可以与惰性分子相类似，从而证实了我们方法的相关性。此外，我们强调我们模型的一个优势是其多尺度框架，这使得它能够很容易地扩展到更复杂的生物物理效应，例如静电相互作用。

我们用于开发细胞质扩散多尺度模型的实验基础主要依赖于绿色荧光蛋白（GFP）（参考文献2的图1至图5），我们将其视为惰性物质（补充信息，参考文献2的第5节），以及惰性的Dextrans和Ficolls（参考文献2的图6）。我们发现细胞质的拥挤效应会导致流体动力学的阻碍，显著降低大分子的扩散速度。尽管我们认为研究这种阻力项是一个关键发现，因为它普遍适用于所有大分子，无论其化学性质如何，但我们并不声称其他力（如非特异性静电相互作用）对所有分子和细胞质区域都可以忽略不计（3）。

然而，由于细胞质带有轻微的负电荷，许多弱负电荷的蛋白质可以近似为惰性物质。参考文献1中的数据支持这一观点，该数据显示，在Hela细胞内微注射的小细菌蛋白质中，中性或弱负电荷颗粒的扩散系数与其电荷无关（图1）。这表明对于中性或弱负电荷的生物活性分子而言，静电相互作用对它们的细胞内运动影响较小，这一观点也得到了其他研究的支持（5、6）。

图1.

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负电荷和中性小细菌蛋白质的实验扩散系数与分子的等电点或净电荷无关。实验扩散系数作为（A）等电点（pA）和（B）颗粒净电荷的函数。所有数据均来自参考文献4。

然而，对于正电荷分子或小分子来说，非特异性静电相互作用预计会超过空间位阻效应。我们为惰性颗粒建立的模型（2）可以基于多孔介质中传输领域的进展轻松扩展。在我们方法论框架内，已经对带电微结构中的电扩散传输进行了大量研究（7、8）。这需要在孔隙尺度上修改扩散项，以包含Nernst-Planck方程，并考虑结构界面处的扩散双层。有趣的是，这种放大程序表明，在宏观传输方程中，静电相互作用简化为类似反应的项，而不是有效的扩散系数（7–9）。这对通过实验方法确定活细胞中的扩散系数具有直接影响。

我们感谢Dey和Schreiber提供这个机会，讨论我们的多孔介质框架在考虑静电和非特异性相互作用的情况下，对于细胞内扩散的有效性和可能的扩展。