Naukowcy odkryli, że wcześniej niedoceniany aspekt naszych ogniw ma znaczący wpływ, wypełniając lukę w procesach elektrochemicznych.
Historycznie rzecz biorąc, badania z zakresu chemii biologicznej koncentrowały się przede wszystkim na najbardziej widocznych składnikach napędzających procesy życiowe. Głównymi obszarami zainteresowania były zwijanie się białek, aktywność genetyczna i szlaki sygnalizacji elektrycznej, ponieważ stanowią one najwyraźniejsze cele w zakresie identyfikacji nieprawidłowości powodujących choroby.
Jednak ostatnie badania wykazały inny typ struktury komórkowej, który może odgrywać równie ważną rolę. Struktury te, zwane kondensatami biologicznymi, istnieją z powodu różnic w gęstości, podobnie jak kropelki oleju unoszące się w wodzie, i tworzą przedziały wewnątrz komórek bez potrzeby fizycznej granicy membrany.
Poprzednie badania wykazały, że plamy te mogą oddzielać lub zatrzymywać pewne białka i cząsteczki, utrudniając lub promując ich aktywność. Odkryli również, że struktury te stanowią alternatywne źródło energii, które może zasilać niektóre aspekty chemii biologicznej.
Poza lokalnymi wpływami
Wyniki te skupiały się jednak na uderzeniach powstałych w bezpośrednim sąsiedztwie samych kondensatów. Badacze nie zidentyfikowali jeszcze sposobów, w jaki mogą one wpływać na biochemię z dala od ich struktur fizycznych.
Teraz, w nowym badaniu opublikowanym 10 września w czasopiśmie Komórkabadacze z Duke University i Washington University w St. Louis wykazali, że powstawanie biologicznych kondensatów wpływa na aktywność komórek daleko poza ich bezpośrednim otoczeniem. Wyniki pokazują, że mogą to być brakujące wcześniej mechanizmy, za pomocą których komórki modulują swoją wewnętrzną elektrochemię. Z kolei te wewnętrzne kontrole wpływają na błonę komórkową, co pozwala tym niepozornym plamom wpływać na globalne cechy i skutki, takie jak oporność na antybiotyki.
„Nasze badania pokazują, że kondensaty wpływają na komórki znacznie wykraczające poza bezpośredni kontakt fizyczny, prawie tak, jakby miały bezprzewodowe połączenie z interakcją komórek ze środowiskiem” – powiedział Lingchong You, wybitny profesor inżynierii biomedycznej Jamesa L. Meriama w Duke. „Oprócz zademonstrowania mechanizmów elektrycznych odpowiedzialnych za to połączenie udowodniliśmy, że tworzenie się kondensatu może sprawić, że komórki będą bardziej tolerancyjne na niektóre rodzaje antybiotyków, a bardziej podatne na inne”.
„To prawdopodobnie dopiero wierzchołek góry lodowej” – dodał Ashutosh Chilkoti, wybitny profesor inżynierii biomedycznej Alana L. Kaganova na Uniwersytecie Duke. „Spodziewamy się, że te efekty potencjału elektrycznego wyrażają się na wiele różnych sposobów poprzez zachowania komórkowe”.
Elektrostatyczny mechanizm kondensatów
Kondensaty działają jak gąbka, wchłaniając różne białka, enzymy, jony i inne biomolekuły, gdy się tworzą, wykluczając inne. A jeśli zatrzymają w swoim przedziale wystarczającą ilość jonów, aby naładować się dodatnio lub ujemnie, ta nierównowaga musi znaleźć odzwierciedlenie w otaczającym je środowisku komórkowym.
Ta aktywność elektrostatyczna umożliwia powstawanie kondensatów biologicznych, które wpływają na potencjał elektryczny błony komórkowej i środowisko elektrochemiczne w komórce. A ponieważ te czynniki środowiskowe mają kluczowe znaczenie dla wielu procesów biologicznych, zapewnia to mechanizm umożliwiający tym niepozornym plamom bezpośredni wpływ na interakcję komórek z otaczającym je światem.
Powszechne oddziaływanie kondensatów
„Nawet niewielka liczba tych kondensatów rozmieszczonych centralnie z dala od błony komórkowej może wywołać reakcję łańcuchową, która może zmienić tę globalną właściwość” – wyjaśnił Yifan Dai, adiunkt inżynierii biomedycznej i członek Centrum Kondensatów Biomolekularnych w Waszyngtonie University w St. Louis, który prowadził badania jako pracownik naukowy ze stopniem doktora w Duke. „Ten artykuł pokazuje, że przed tymi skutkami nie ma ucieczki. Dopóki tworzą się te maleńkie plamki, wpływa to na wiele rzeczy, nawet na regulację genów w skali globalnej. Kiedy to zobaczyłem, było to dla mnie dość szokujące.”
Aby to udowodnić, naukowcy pracowali nad wykazaniem, że zjawisko to może wpływać na przeżywalność bakterii w interakcjach z niektórymi antybiotykami. Naukowcy spowodowali powstanie kolonii E. coli bakterie tworzą wewnętrzne kondensaty albo poprzez odpowiednie ich stresowanie, albo poprzez manipulację ekspresją genów białek tworzących kondensat. Następnie przetestowali powstały ładunek elektryczny w błonach komórkowych i wystawili je na działanie antybiotyków.
Wyniki pokazały, że tworzenie się kondensatu spowodowało, że niektóre błony komórkowe stały się bardziej naładowane ujemnie, co bezpośrednio wpływało na to, czy komórki zareagowały na antybiotyki, ponieważ są one również cząstkami naładowanymi. Naukowcy twierdzą jednak, że to dopiero początek tego kierunku badań, ponieważ wiele procesów biochemicznych zależy od potencjału elektrycznego utrzymywanego w błonie komórkowej.
„Nasza praca odkrywa rolę kondensatów w regulacji globalnej fizjologii komórkowej” – powiedział You. „Chociaż nie mamy jeszcze konkretnego, mechanistycznego zrozumienia, w jaki sposób komórki wykorzystują tę aktywność do regulowania swojej funkcjonalności, poważnym odkryciem jest to, że w ogóle to ma miejsce”.
Odniesienie: „Kondensaty biomolekularne regulują równowagę elektrochemiczną komórek” autorstwa Yifana Dai, Zhengqing Zhou, Wen Yu, Yuefeng Ma, Kyeri Kim, Nelsona Rivery, Javida Mohammeda, Erici Lantelme, Heileen Hsu-Kim, Ashutosh Chilkoti i Lingchong You, 10 września 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.08.018
Prace te były wspierane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-20-1-0241) oraz Narodowe Instytuty Zdrowia (R35-GM127042).
