Gândește-te la acea lecție de biologie de bază pe care ai făcut-o în liceu. Probabil ai învățat despre organite, acele mici „organe” din interiorul celulelor care formează compartimente cu funcții specifice. De exemplu, mitocondriile produc energie, lizozomii reciclează deșeurile celulare, iar nucleul stochează ADN-ul. Deși fiecare organit are o funcție diferită, toate sunt similare prin faptul că sunt învelite într-o membrană.
Organitele cu membrane reprezentatu standardul organizării celulare, până când, după anul 2000, oamenii de știință au realizat că unele organite nu au nevoie de membrană. De atunci, cercetătorii au descoperit multe alte organite fără membrană, care au schimbat profund modul în care biologii înțeleg chimia și originile vieții.
Am fost introdus în lumea organitelor fără membrane, denumite oficial „condensate biomoleculare”, acum câțiva ani, când studenții din laboratorul meu au observat niște forme ciudate într-un nucleu celular. Fără să știu, de fapt, studiasem condensatele biomoleculare de ani buni. Ceea ce am văzut în acele forme neobișnuite mi-a deschis ochii către o lume complet nouă a biologiei celulare.
Ca o lampă de lavă
Pentru a-ți face o idee despre cum arată un condensat biomolecular, imaginează-ți o lampă de lavă (n.n. - lampă decorativă), în care bucățile de ceară se unesc, se separă și se unesc din nou. Condensatele se formează în mod similar, deși nu sunt făcute din ceară. În schimb, un grup de proteine și material genetic, în special molecule de ARN, formează picături cu o consistență asemănătoare gelului.
Unele proteine și secvențe de ARN fac acest lucru pentru că interacționează mai degrabă între ele decât cu mediul înconjurător, la fel cum bucățile de ceară dintr-o lampă de lavă se amestecă între ele, dar nu cu lichidul din jur. Aceste condensate creează un microambient nou, care atrage proteine și molecule de ARN suplimentare, formând astfel un compartiment biochimic unic în interiorul celulelor.
Până în 2022, cercetătorii au identificat aproximativ 30 de tipuri de condensate biomoleculare fără membrană. Spre comparație, există în jur de o duzină de organite tradiționale cu membrane cunoscute.
Deși sunt ușor de identificat odată ce știi ce să cauți, este dificil de stabilit exact ce funcție au condensatele biomoleculare. Unele au roluri bine definite, cum ar fi formarea celulelor reproductive, granulele de stres (n.n. se formează când celulele sunt sub stres) și ribozomii care produc proteine. Totuși, multe altele nu au funcții clare.
Organitele fără membrane ar putea avea funcții mai numeroase și diverse decât omoloagele lor cu membrane. Necunoașterea acestor funcții necunoscute afectează înțelegerea fundamentală a modului în care funcționează celulele.
Structura și funcția proteinelor
Condensatele biomoleculare intră în conflict unele dintre ideile de bază despre chimia proteinelor.
De când oamenii de știință au obținut pentru prima dată o privire detaliată asupra structurii mioglobinei în anii '50, a fost clar că structura acesteia este importantă pentru capacitatea de a transporta oxigenul în mușchi. De atunci, mantra biochimiștilor a fost că structura proteinei este strâns corelată cu funcția proteinei. Practic, proteinele au anumite forme care le permit să-și îndeplinească rolurile.
Proteinele care formează condensate biomoleculare încalcă cel puțin parțial această regulă, deoarece conțin regiuni dezordonate, adică nu au forme definite. Când cercetătorii au descoperit aceste proteine dezordonate (sau proteine intrinsec dezordonate - IDP) la începutul anilor '80, au fost inițial confuzi cu privire la cum ar putea aceste proteine să funcționeze în lipsa unei structuri puternice.
Ulterior, au descoperit că proteinele IDP tind să formeze condensate. Ca de obicei în știință, această descoperire a rezolvat un mister despre rolurile acestor proteine neorganizate în celule, doar pentru a deschide o altă întrebare mai profundă despre ce sunt cu adevărat condensatele biomoleculare.
Celulele bacteriene
Cercetătorii au detectat, de asemenea, condensate biomoleculare în celulele procariote (bacteriene), care erau definite în mod tradițional ca neavând organite. Această descoperire ar putea avea efecte profunde asupra modului în care oamenii de știință înțeleg biologia celulelor procariote.
Doar aproximativ 6% din proteinele bacteriene au regiuni dezordonate fără structură, comparativ cu 30% până la 40% din proteinele eucariotelor (nonbacteriene). Dar oamenii de știință au găsit câteva condensate biomoleculare în celulele procariote implicate în diverse funcții celulare, inclusiv în sinteza și ruperea ARN-ului.
Prezența condensatelor biomoleculare în celulele bacteriene înseamnă că aceste microorganisme nu sunt simple „pungi” de proteine și acizi nucleici, ci sunt de fapt mai complexe decât s-a crezut anterior.
Originea vieții
Condensatele biomoleculare schimbă, de asemenea, modul în care oamenii de știință gândesc despre originile vieții pe Pământ.
Există dovezi ample că nucleotidele, blocurile care formează ARN-ul și ADN-ul, pot fi create din substanțe chimice comune, cum ar fi acidul cianhidric și apa, în prezența unor surse de energie obișnuite, cum ar fi lumina ultravioletă sau temperaturile ridicate, pe minerale universale, cum ar fi silica și argila feruginoasă.
Există, de asemenea, dovezi că nucleotidele individuale se pot asambla spontan în lanțuri pentru a forma ARN. Acesta este un pas cardinal în „ipoteza lumii ARN”, care postulează că primele „forme de viață” pe Pământ au constat din lanțuri de ARN.
O întrebare majoră este cum ar fi dezvoltat aceste molecule de ARN mecanisme de auto-reproducere și organizare într-o protocelulă. Pentru că tot ce înseamnă viață este înconjurat de membrane, cercetătorii care studiază originea vieții au presupus că și ARN-ul ar trebui să fie încapsulat în membrane. Acest lucru ar necesita sinteza lipidelor (grăsimilor) care formează membranele. Totuși, materialele necesare pentru a crea lipide probabil nu erau prezente pe Pământul timpuriu.
Dacă ARN-ul poate forma condensate biomoleculare în mod spontan, lipidele nu ar fi necesare pentru a forma protocelule. Dacă ARN-ul s-ar fi putut grupa în condensate biomoleculare de la sine, devine chiar mai plauzibil ca moleculele vii să fi apărut din substanțe chimice nevii pe Pământ.
Noi tratamente
Pentru mine și alți oameni de știință care studiază condensatele biomoleculare este interesant să visăm la modul în care aceste entități neobișnuite vor schimba perspectiva asupra modului în care funcționează biologia.
Condensatele schimbă deja modul în care gândim despre boli umane precum Alzheimer, Huntington și scleroza laterală amiotrofică.
În acest scop, cercetătorii dezvoltă mai multe abordări noi pentru a manipula condensatele în scopuri medicale, precum noi medicamente care pot promova sau dizolva condensatele. Dacă această abordare va da roade în tratarea bolilor rămâne de văzut.
Pe termen lung, nu m-ar surprinde dacă fiecare condensat biomolecular va fi în cele din urmă asociat unei funcții specifice. Dacă se va întâmpla acest lucru, poți fi sigur că elevii de liceu vor avea chiar mai multe de învățat – sau mai multe motive de nemulțumire – pe timpul lecțiilor introductive de biologie.
Traducere și adaptare după Cells have more mini ‘organs’ than researchers thought
Autorul, Allan Albig, este profesor asociat de științele biologiei la Boise State University
Imagine: depositphotos.com
