近日，北京大学前沿交叉学科研究院、定量生物学中心/北大-清华生命科学联合中心林杰课题组深入探索了细胞表面受体蛋白空间分布对分子吸收效率的影响。研究发现，实现最大总吸收通量的受体分布与相同形状理想导体表面的电荷密度分布是一致的。这一简洁优美的结论，为理解受体蛋白分布的进化起源提供了全新的物理视角。2025年11月10日，研究成果以（“Optimal Distributions of Receptors on Arbitrarily Shaped Cell Surfaces”）为题，发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京大学元培学院2023级本科生吴道宁和2018级本科生毛飒韵（现加州大学洛杉矶分校研究生）为该论文共同第一作者，林杰为通讯作者。

细胞通过膜上受体蛋白吸收外界分子是许多生命过程的基础。实验上发现，对于非球形细胞，受体蛋白空间分布往往呈现某些规律。例如，在杆状细胞，如大肠杆菌中，多种受体蛋白被发现聚集在细胞的两极；而在有缺陷的球形细胞中，某些受体蛋白则集中于凹陷边缘。然而，这些分布背后的进化优势尚不明确。过去的研究通常假设细胞为球形且受体均匀分布，忽略了细胞形状与受体空间分布对吸收效率的影响。

课题组系统性的研究了任意形状细胞表面的受体蛋白分布对总吸收通量的影响。他们将受体建模为满足吸收边界条件的圆盘，发展了一种数值方法，将拉普拉斯方程的混合边界条件问题转化为线性方程组的求解，从而可以高效计算每个受体的通量。研究发现，当受体在细胞表面均匀分布时，每个蛋白的通量呈现明显的空间依赖性：杆状细胞两极区域（图1）、球形细胞凹陷边缘（图2a）、出芽细胞芽体末端（图2b）的受体通量最高。这一结果与实验中观察到的蛋白定位现象高度吻合。

图1 杆状细胞表面的受体通量分布。颜色代表经过该受体流入细胞的分子通量。

图2 (a)有缺陷的球形细胞表面的通量分布；(b)出芽细胞表面的通量分布。

随后，研究人员进一步研究了使总吸收通量最大化的受体分布。他们论证了此条件下经过各个受体流入细胞内的通量必定相等。研究人员巧妙地将细胞表面的受体和导体表面的点电荷类比。因为每个受体的分子通量相等，因此可以将它们类比成导体表面的点电荷：导体表面每个点电荷释放的电场线也是相同的。研究人员进而证明最优受体分布恰好等同于相同形状理想导体表面的电荷密度分布。

研究人员通过数值模拟复现了受体位置随机变化，最后演化到最大总吸收通量的进化过程，并证实了理论预测：受体会自发地向高曲率区域聚集，最终形成与理想导体电荷密度一致的分布。图3展示了在杆状细胞和出芽细胞表面进行进化模拟得到的最优受体分布，并将它们与对应形状的理想导体电荷分布做了比较。此外，本研究中得到的最优分布也有助于细胞更精确地感知外界分子浓度。这些发现揭示了实验中观察到的受体蛋白分布的进化驱动力，为理解细胞表面受体分布提供了理论框架。

图3进化模拟得到的最优受体分布与相同形状理想导体表面电荷密度分布的对比。

该研究工作得到了国家重点研发项目，国家自然科学基金项目，北大-清华生命科学联合中心的支持。论文原文链接：https://doi.org/10.1103/xklg-qy2t