Човешкият организъм разчита в голяма степен на електрическите сигнали. Импулси енергия преминават през мозъка и нервната система, а повечето биологични процеси зависят от електрическите йони, които преминават през мембраните на всяка клетка в тялото ни.

Тези електрически сигнали са възможни отчасти благодарение на дисбаланса в електрическите заряди, който съществува от двете страни на клетъчната мембрана. До неотдавна изследователите са смятали, че мембраната е съществен компонент за създаването на този дисбаланс. Но тази идея е опровергана, когато изследователи от Станфордския университет откриват, че подобен дисбаланс на електрическите заряди може да съществува между микрокапчици от вода и въздух.

Сега изследователи от Университета Дюк откриват, че тези видове електрически полета съществуват и в и около друг вид клетъчни структури, наречени биологични кондензати. Подобно на мазните капки, плаващи във водата, тези структури съществуват заради разликите в плътността. Те образуват отделения (компартменти) вътре в клетката, без да се нуждаят от физическа граница като мембраната.

Вдъхновени от предишни изследвания, които показват, че микрокапчици вода, взаимодействащи с въздух или твърди повърхности, създават малък електрически дисбаланс, изследователите решават да проверят дали същото важи и за малките биологични кондензати. Те имат намерение да разберат дали тези дисбаланси предизвикват реактивни кислородни, "редокс", реакции, както тези в други системи.

Това фундаментално откритие може да промени начина, по който изследователите разглеждат биологичната химия. То би могло също така да подскаже как първите живи същества на Земята са използвали енергията, необходима за появата им.

"В една пребиотична среда без ензими, които да катализират реакциите, откъде би дошла енергията?", пита Ифан Дай (Yifan Dai), постдокторант в Университета Дюк, работещ в лабораторията на Ашутош Чилкоти (Ashutosh Chilkoti), заслужил професор по биомедицинско инженерство, и Линчун Йоу (Lingchong You), заслужил професор по биомедицинско инженерство.

"Това откритие дава правдоподобно обяснение за това откъде би могла да дойде енергията на реакцията, точно както потенциалната енергия, която се предава на точков заряд, поставен в електрическо поле", отбелязва Дай.

Когато електрическите заряди прескачат между един материал и друг, те могат да създадат молекулярни фрагменти, които могат да се сдвоят и да образуват хидроксилни радикали, които имат химическа формула OH. След това те могат да се сдвоят отново и да образуват водороден пероксид (H₂O₂) в малки, но откриваеми количества.

"Но границите рядко са били изследвани в биологичен режим, различен от клетъчна мембрана, която е една от най-съществените части на биологията", посочва Дай. "Затова се чудехме какво може да се случва на границата на биологичните кондензати, т.е. дали това също е асиметрична система."

Клетките могат да изграждат биологични кондензати, които да разделят или задържат заедно определени протеини и молекули, възпрепятствайки или стимулирайки тяхната активност. Изследователите тепърва започват да разбират как работят кондензатите и за какво могат да се използват.

Образуване и примери за безмембранни органели (MLO). Еукариотните клетки съдържат различни MLO, образувани чрез разделяне на фазата течност-течност. (A) Представяне на разделяне на фаза течност-течност. За да се стимулира взаимодействието между макромолекулите и да се постигне химично равновесие, е необходима висока енергия със съответно намаление на ентропията. При това състояние протеините (в синьо) и РНК (в червено) са склонни да претърпят разделяне на фазата течност-течност. По-специално, увеличаването на енергията и намаляването на ентропията водят до намаляване на разтворимостта на макромолекулите и увеличаване на взаимодействията протеин-РНК. Резултатът е по-високо концентрирана фаза, която стимулира образуването на безмембранни органели (MLO). (B) Представяне на органели без мембрана (MLO). MLO образуват подкомпартменти както в ядрото, така и в цитоплазмата. Ядрото се характеризира с наличието на нуклеоли (в червено), които участват в биогенезата на рибозомата. Кредит: Veronica Verdile, Elisa De Paola, and Maria Paola Paronetto - https://doi.org/10.3389/fgene.2019.00173 

Тъй като лабораторията на Чилкоти е специализирана в създаването на синтетични версии на естествено срещащи се биологични кондензати, изследователите лесно успяват да създадат условия за изпитване на своята теория. След като комбинират правилната формула от градивни елементи за създаване на миниатюрни кондензати, те добавят към системата багрило, което свети в присъствието на реактивни кислородни видове.

Предположението им се оказва правилно. Когато условията на околната среда били подходящи, от краищата на кондензатите започнало да се появява плътно сияние, което потвърждава, че става дума за неизвестно досега явление. След това Дай разговаря с Ричард Заре (Richard Zare), професор по химия в Станфорд, чиято група установява електрическото поведение на водните капки. Заре започва да работи с групата по основния механизъм.

"Вдъхновени от предишната работа върху водните капки, аз и моят дипломант Кристиан Чембърлейн си помислихме, че същите физични принципи могат да се приложат и да стимулират окислително-редукционната химия, като например образуването на молекули водороден пероксид", разказва Заре. "Тези открития подсказват защо кондензатите са толкова важни за функционирането на клетките."

"По-голямата част от предишната работа върху биомолекулярните кондензати е съсредоточена върху вътрешността им", посочва Чилкоти. "Откритието на Ифан, че биомолекулярните кондензати изглежда са универсално окислително активни, предполага, че кондензатите не просто са еволюирали, за да изпълняват специфични биологични функции, както обикновено се приема, а че те са надарени и с важна химична функция, която е от съществено значение за клетките."

Макар че биологичните последици от тази протичаща в клетките ни реакция не са известни, Дай посочва пример за това колко мощно може да е нейното въздействие. Електроцентралите на нашите клетки, наречени митохондрии, създават енергия за всички наши жизнени функции чрез един и същ основен химичен процес. Но преди да се появят митохондриите или дори най-простите клетки, нещо е трябвало да осигури енергия, за да започне да функционира първата от жизнените функции.

Изследователите предполагат, че енергията е била осигурена от термални източници в океаните или горещи извори. Други пък предполагат, че същата окислително-редукционна реакция, която протича във водните микрокапки, е била създадена от пръските на океанските вълни.

Но защо вместо това да не са кондензати?

"Магията може да се случи, когато веществата станат миниатюрни и междуфазовият обем стане огромен в сравнение с обема им", смята Дай. "Мисля, че последиците са важни за много различни области."

Справка: Yifan Dai et al, Interface of biomolecular condensates modulates redox reactions, Chem (2023). DOI: 10.1016/j.chempr.2023.04.001

Източник: Newly discovered electrical activity within cells could change the way researchers think about biological chemistry
Ken Kingery, Duke University

Още по темата

24/04/2023

Медицина

Стволовите клетки се движат нагоре-надолу по космения фоликул. Спрат ли, косата посивява

19/04/2023

Физика

Опровергана е полувековна теория за обезсоляване на водата чрез обратна осмоза

03/11/2022

Земята

Водата, която пиете от чешмата, е била изпивана досега поне 10 пъти (видео)

23/03/2023

Математика

Наградата Абел 2023 г: Математиката на промените и готварството на Луис Кафарели