Згадайте базовий урок біології, який ви проходили в старших класах. Ви, напевно, дізналися про органели, ці маленькі “органи” всередині клітин, які утворюють відділи з індивідуальними функціями.
Наприклад, мітохондрії виробляють енергію, лізосоми переробляють відходи, а ядро зберігає ДНК. Хоча кожна органела виконує різні функції, вони схожі в тому, що кожна з них загорнута в мембрану.
Мембранні органели були хрестоматійним стандартом того, як, на думку вчених, організовані клітини , поки в середині 2000-х років вони не зрозуміли, що деякі органели не обов’язково повинні бути обгорнуті мембраною.
З того часу дослідники відкрили багато додаткових безмембранних органел, які суттєво змінили уявлення біологів про хімію та походження життя.
Я познайомився з безмембранними органелами, які формально називаються біомолекулярними конденсатами, кілька років тому, коли студенти в моїй лабораторії спостерігали незвичайні згустки в клітинному ядрі.
Не знаючи про це, ми роками вивчали біомолекулярні конденсати. Те, що я нарешті побачив у цих згустках, відкрило мені очі на цілий новий світ клітинної біології.
Як лавова лампа
Щоб зрозуміти, як виглядає біомолекулярний конденсат, уявіть собі лавову лампу: згустки воску всередині неї плавляться разом, розпадаються і знову плавляться. Конденсати утворюються приблизно так само, хоча вони не складаються з воску. Натомість скупчення білків і генетичного матеріалу, зокрема молекул РНК, у клітині конденсується в гелеподібні краплі.
Деякі білки і РНК роблять це тому, що вони переважно взаємодіють один з одним, а не з навколишнім середовищем, дуже схоже на те, як згустки воску в лавовій лампі змішуються один з одним, а не з навколишньою рідиною. Ці конденсати створюють нове мікросередовище, яке притягує додаткові білки та молекули РНК, формуючи таким чином унікальний біохімічний компартмент всередині клітин.
Станом на 2022 рік дослідники виявили близько 30 видів цих безмембранних біомолекулярних конденсатів. Для порівняння, відомо близько десятка традиційних мембранозв’язаних органел.
Хоча їх легко ідентифікувати, якщо знати, що саме ви шукаєте, важко з’ясувати, що саме роблять біомолекулярні конденсати. Деякі з них мають чітко визначену роль, наприклад, формують репродуктивні клітини, стресові гранули та рибосоми, що виробляють білки. Однак багато інших не мають чітких функцій.
Немембранні органели можуть мати більш численні та різноманітні функції, ніж їхні мембранні аналоги. Вивчення цих невідомих функцій впливає на фундаментальне розуміння вченими того, як працюють клітини.
Структура та функції білка
Біомолекулярні конденсати руйнують деякі давні уявлення про хімію білка.
Відтоді, як у 1950-х роках вчені вперше добре вивчили структуру білка міоглобіну, стало зрозуміло, що його будова важлива для його здатності переносити кисень у м’язах. Відтоді мантрою для біохіміків стало твердження, що структура білка дорівнює його функції. По суті, білки мають певну форму, яка дозволяє їм виконувати свою роботу.
Білки, які утворюють біомолекулярні конденсати, принаймні частково порушують це правило, оскільки містять невпорядковані ділянки, тобто не мають визначеної форми. Коли на початку 1980-х років дослідники відкрили ці так звані внутрішньо невпорядковані білки (ВНБ), вони спочатку були спантеличені тим, як ці білки можуть не мати міцної структури, але при цьому виконувати певні функції.
Пізніше вони виявили, що ВПО мають тенденцію до утворення конденсатів. Як це часто буває в науці, це відкриття вирішило одну загадку про роль цих неструктурованих білків-ізгоїв у клітині, але відкрило інше, більш глибоке питання про те, чим насправді є біомолекулярні конденсати.
Бактеріальні клітини
Дослідники також виявили біомолекулярні конденсати в прокаріотичних, або бактеріальних, клітинах, які традиційно вважалися такими, що не містять органел. Це відкриття може мати глибокий вплив на те, як вчені розуміють біологію прокаріотичних клітин.
Лише близько 6 відсотків бактеріальних білків мають невпорядковані ділянки, позбавлені структури, порівняно з 30-40 відсотками еукаріотичних, або небактеріальних, білків. Але вчені виявили кілька біомолекулярних конденсатів у прокаріотичних клітинах, які беруть участь у різноманітних клітинних функціях, в тому числі у створенні та розщепленні РНК.
Наявність біомолекулярних конденсатів у бактеріальних клітинах означає, що ці мікроби не є простими мішечками з білків і нуклеїнових кислот, а насправді є більш складними, ніж вважалося раніше.
Походження життя
Біомолекулярні конденсати також змінюють уявлення вчених про походження життя на Землі.
Існує достатньо доказів того, що нуклеотиди, будівельні блоки РНК і ДНК, цілком ймовірно можуть бути виготовлені зі звичайних хімічних речовин, таких як ціаністий водень і вода, в присутності звичайних джерел енергії, таких як ультрафіолетове світло або високі температури, на універсально поширених мінералах, таких як діоксид кремнію і залізна глина.
Існують також докази того, що окремі нуклеотиди можуть спонтанно збиратися в ланцюжки, утворюючи РНК. Це вирішальний крок у гіпотезі РНК-світу, яка постулює, що перші “форми життя” на Землі були ланцюжками РНК.
Основне питання полягає в тому, як ці молекули РНК могли розвинути механізми для реплікації та організації в протоклітину. Оскільки всі відомі форми життя оточені мембранами, дослідники, які вивчають походження життя, здебільшого припускають, що мембрани також мали б інкапсулювати ці РНК.
Для цього потрібно було б синтезувати ліпіди, або жири, з яких складаються мембрани. Однак матеріалів, необхідних для створення ліпідів, на ранній Землі, скоріш за все, не було.
З відкриттям того, що РНК можуть спонтанно утворювати біомолекулярні конденсати, ліпіди не були б потрібні для формування протоклітин. Якби РНК могли самостійно збиратися в біомолекулярні конденсати, стає ще більш вірогідним, що живі молекули виникли з неживих хімічних речовин на Землі.
Нові методи лікування
Мені та іншим науковцям, які вивчають біомолекулярні конденсати, цікаво мріяти про те, як ці порушники правил змінять наше уявлення про те, як працює біологія. Конденсати вже змінюють наші уявлення про такі хвороби людини, як хвороба Альцгеймера, Гантінгтона та Лу Геріга.
З цією метою дослідники розробляють кілька нових підходів до маніпуляцій з конденсатами в медичних цілях, наприклад, нові ліки, які можуть сприяти утворенню або розчиненню конденсатів. Чи принесе цей новий підхід до лікування хвороб плоди, ще належить з’ясувати.
У довгостроковій перспективі я не здивуюся, якщо кожному біомолекулярному конденсату врешті-решт буде присвоєна певна функція. Якщо це станеться, можете не сумніватися, що старшокласникам буде ще більше про що дізнатися – або поскаржитися – на вступних уроках біології.
Аллан Албіг, доцент біологічних наук, Державний університет Бойсе
Ця стаття передрукована з The Conversation . Читайте оригінальну статтю.
