VIDEO Celulele au mai multe „organe” miniaturale decât credeau cercetătorii ceea ce ar putea duce la noi tratamente pentru bolile umane
Gândiți-vă la cursurile de biologie de bază pe care le-ați urmat în liceu. Probabil ați învățat despre organite, acele mici „organe” din interiorul celulelor care formează compartimente cu funcții individuale. De exemplu, mitocondriile produc energie, lizozomii reciclează deșeurile, iar nucleul stochează ADN-ul. Deși fiecare organit are o funcție diferită, ele sunt similare prin faptul că fiecare este învelită într-o membrană.
Organitele legate de membrană au reprezentat standardul din manuale cu privire la modul în care oamenii de știință credeau că sunt organizate celulele, până când au realizat, la mijlocul anilor 2000,că unele organite nu trebuie să fie învelite într-o membrană.
De atunci, cercetătorii au descoperit multe alte organite fără membrană care au schimbat semnificativ modul în care biologii gândesc despre chimia și originile vieții.
Cercetătorii de la laboratorul lui Allan Albig, profesor asociat de științe biologice la Universitatea americană de stat Boise au făcut cunoștință cu organitele fără membrană, denumite în mod oficial condensate biomoleculare, în urmă cu câțiva ani, când au observat niște pete neobișnuite în nucleul unei celule. Fără să știe, aceștia studiau de fapt condensatele biomoleculare de ani de zile. Ceea ce au văzut în cele din urmă în acele structuri le-a deschis calea spre o lume cu totul nouă a biologiei celulare.
Ca o lampă cu lavă
Pentru a ne face o idee despre cum arată un condensat biomolecular, să ne imaginăm o lampă cu lavă în timp ce picăturile de gel din interior fuzionează, se despart și fuzionează din nou.
„Condensatele se formează cam în același mod, deși nu sunt făcute din ceară”, explică prof. Albig într-un articol publicat marți. În schimb, un grup de proteine și material genetic, în special molecule de ARN, dintr-o celulă se condensează în picături asemănătoare gelului.
Unele proteine și ARN-uri fac acest lucru deoarece interacționează în mod preferențial între ele și nu cu mediul înconjurător, asemănător cu modul în care boabele de gel dintr-o lampă cu lavă se amestecă între ele, dar nu și cu lichidul din jur, spune profesorul. Aceste condensate creează un nou micromediu care atrage alte proteine și molecule de ARN, formând astfel un compartiment biochimic unic în cadrul celulelor.
Condensatele biomoleculare se comportă ca lichidele. În manualele școlare, celulele sunt în general descrise ca o bulă cu membrană, plină de compartimente mai mici, de asemenea învelite de o membrană. În realitate, lucrurile diferă de această imagine simplă. Există multe compartimente care nu sunt legate de o membrană. Aflați care sunt acestea și proprietățile lor uimitoare în acest videoclip de 2 minute! Video Condensate în jurul nucleelor celulare:
Brangwynne et. al, Science 324 (2009)
Până în 2022, cercetătorii au descoperit aproximativ 30 de tipuri de astfel de condensate biomoleculare fără membrană. În comparație, există aproximativ o duzină de organite tradiționale cu membrană cunoscute.
Deși sunt ușor de identificat odată ce știi ce cauți, este dificil să îți dai seama ce anume fac condensatele biomoleculare, spune cercetătorul american. Unele au roluri bine definite, cum ar fi formarea celulelor reproductive, a granulelor de stres și a ribozomilor care produc proteine. Cu toate acestea, multe altele nu au funcții clare.
Organitele care nu sunt legate de membrană ar putea avea funcții mai numeroase și mai diverse decât omologii lor legați de membrană, explică el. Descoperirea acestor funcții necunoscute afectează înțelegerea fundamentală a oamenilor de știință cu privire la funcționarea celulelor.
Structura și funcția proteinelor
Condensatele biomoleculare spulberă unele convingeri vechi despre chimia proteinelor.
Încă de când oamenii de știință au observat pentru prima dată structura proteinei mioglobină, în anii 1950, a fost clar că structura acesteia este importantă pentru capacitatea sa de a transporta oxigenul în mușchi. De atunci, mantra biochimiștilor a fost că structura proteinei este egală cu funcția proteinei. Practic, proteinele au anumite forme care le permit să își îndeplinească sarcinile.
Proteinele care formează condensatele biomoleculare încalcă cel puțin parțial această regulă, deoarece conțin regiuni dezordonate, ceea ce înseamnă că nu au forme definite, continuă prof. Albig. Atunci când cercetătorii au descoperit aceste așa-numite proteine intrinsec dezordonate (IDP), la începutul anilor 1980, au fost inițial nedumeriți de modul în care acestea puteau să nu aibă o structură puternică, dar să îndeplinească totuși funcții specifice.
Ulterior, ei au descoperit că IDP tind să formeze condensate. Așa cum se întâmplă adesea în știință, această descoperire a rezolvat un mister cu privire la rolurile pe care aceste proteine necoordonate nestructurate le joacă în celulă, doar pentru a deschide o altă întrebare mai profundă cu privire la ce sunt de fapt condensatele biomoleculare.
Celule bacteriene
Cercetătorii au detectat condensate biomoleculare și în celulele procariote, sau bacteriene, care, în mod tradițional, au fost definite drept celule care nu conțin 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 lipsite de structură, în comparație cu 30% până la 40% din proteinele eucariote, sau nonbacteriene, explică profesorul. Dar oamenii de știință au găsit mai multe condensate biomoleculare în celulele procariote care sunt implicate într-o varietate de funcții celulare, inclusiv producerea și descompunerea ARN-urilor.
Prezența condensatelor biomoleculare în celulele bacteriene înseamnă că acești microbi nu sunt simple pungi de proteine și acizi nucleici, ci sunt de fapt mai complecși decât se credea până acum, indică cercetătorul.
Corpurile incluse, colorate în magenta în această micrografie a herpesvirusului 6, sunt agregate de proteine care formează un tip de condensat biomolecular. Institutul național de Cancer/ Institutele Naționale de Sănătate din Statele Unite via Wikimedia Commons
Originile vieții
Condensatele biomoleculare schimbă, de asemenea, modul în care oamenii de știință gândesc despre originile vieții pe Pământ.
Există numeroase dovezi că nucleotidele, elementele de bază ale ARN și ADN, pot fi fabricate foarte plauzibil din substanțe chimice obișnuite, cum ar fi cianura de hidrogen și apa, în prezența unor surse de energie obișnuite, cum ar fi lumina ultravioletă sau temperaturile ridicate, pe minerale universal comune, cum ar fi siliciul și argila de fier.
Există, de asemenea, dovezi că nucleotidele individuale se pot asamblaspontan în lanțuripentru a forma ARN. Acesta este un pas crucial în ipoteza lumii ARN, care postulează că primele „forme de viață” de pe Pământ au fost șiruri de ARN-uri.
O întrebare majoră este cum ar fi putut aceste molecule de ARN să dezvolte mecanisme pentru a se replica și a se organiza într-o protocelulă. Întrucât toate formele de viață cunoscute sunt închise în membrane, cercetătorii care studiază originea vieții au presupus în mare parte că membranele ar trebui să încapsuleze și aceste ARN-uri. Acest lucru ar necesita sintetizarea lipidelor, sau grăsimilor, care alcătuiesc membranele. Cu toate acestea, materialele necesare fabricării lipidelor probabil nu erau prezente pe Pământul primitiv.
Odată cu descoperirea faptului că ARN-urile pot forma spontan condensate biomoleculare, lipidele nu ar mai fi necesare pentru formarea protocelulelor. Dacă ARN-urile au fost capabile să se agregheze singure în condensate biomoleculare, devine și mai plauzibil faptul că moleculele vii au apărut pe Pământ din substanțe chimice nevii, spune profesorul.
Noi tratamente
Pentru oamenii de știință care studiază condensatele biomoleculare este interesant modul în care aceste entități care încalcă regulile ar putea schimba perspectiva asupra modului în care funcționează biologia. Condensatele xx precum Alzheimer, Huntington și Lou Gehrig.
În acest scop, cercetătorii dezvoltă mai multe abordări noi pentru a manipula condensatele în scopuri medicale, cum ar fi noi medicamente care pot promova sau dizolva condensatele.
Rămâne de stabilit dacă această nouă abordare de tratare a bolilor va da roade.
„Pe termen lung, nu aș fi surprins dacă fiecărui condensat biomolecular i s-ar atribui în cele din urmă o anumită funcție. Dacă acest lucru se va întâmpla, pot paria că elevii de biologie de liceu vor avea și mai multe de învățat – sau despre care să se plângă – la cursurile lor introductive de biologie”, concluzionează prof. Albig.
Niciun comentariu!
Poți adăuga unul pentru a porni o conversație.