Gândiţi-vă la cursurile de biologie de bază pe care le-aţi urmat în liceu. Probabil aţi învăţat despre organite, acele mici „organe” din interiorul celulelor care formează compartimente cu funcţii individuale. De exemplu, mitocondriile produc energie, lizozomii reciclează deşeurile, iar nucleul stochează ADN-ul. Deşi fiecare organit are o funcţie 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 ştiinţă 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 şi originile vieţii.
Cercetătorii de la laboratorul lui Allan Albig, profesor asociat de ştiinţe biologice la Universitatea americană de stat Boise au făcut cunoştinţă cu organitele fără membrană, denumite în mod oficial condensate biomoleculare, în urmă cu câţiva ani, când au observat nişte pete neobişnuite în nucleul unei celule. Fără să ştie, aceştia 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 şi fuzionează din nou.
„Condensatele se formează cam în acelaşi mod, deşi nu sunt făcute din ceară", explică prof. Albig într-un articol publicat marţi. În schimb, un grup de proteine şi material genetic, în special molecule de ARN, dintr-o celulă se condensează în picături asemănătoare gelului.
Unele proteine şi ARN-uri fac acest lucru deoarece interacţionează în mod preferenţial între ele şi nu cu mediul înconjurător, asemănător cu modul în care boabele de gel dintr-o lampă cu lavă se amestecă între ele, dar nu şi cu lichidul din jur, spune profesorul. Aceste condensate creează un nou micromediu care atrage alte proteine şi molecule de ARN, formând astfel un compartiment biochimic unic în cadrul celulelor.
Condensatele biomoleculare se comportă ca lichidele. În manualele şcolare, 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. Aflaţi care sunt acestea şi proprietăţile 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 comparaţie, există aproximativ o duzină de organite tradiţionale cu membrană cunoscute.
Deşi sunt uşor de identificat odată ce ştii ce cauţi, este dificil să îţi 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 şi a ribozomilor care produc proteine. Cu toate acestea, multe altele nu au funcţii clare.
Organitele care nu sunt legate de membrană ar putea avea funcţii mai numeroase şi mai diverse decât omologii lor legaţi de membrană, explică el. Descoperirea acestor funcţii necunoscute afectează înţelegerea fundamentală a oamenilor de ştiinţă cu privire la funcţionarea celulelor.
Structura şi funcţia proteinelor
Condensatele biomoleculare spulberă unele convingeri vechi despre chimia proteinelor.
Încă de când oamenii de ştiinţă 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 muşchi. De atunci, mantra biochimiştilor a fost că structura proteinei este egală cu funcţia proteinei. Practic, proteinele au anumite forme care le permit să îşi îndeplinească sarcinile.
Proteinele care formează condensatele biomoleculare încalcă cel puţin parţial această regulă, deoarece conţin regiuni dezordonate, ceea ce înseamnă că nu au forme definite, continuă prof. Albig. Atunci când cercetătorii au descoperit aceste aşa-numite proteine intrinsec dezordonate (IDP), la începutul anilor 1980, au fost iniţial nedumeriţi de modul în care acestea puteau să nu aibă o structură puternică, dar să îndeplinească totuşi funcţii specifice.
Ulterior, ei au descoperit că IDP tind să formeze condensate. Aşa cum se întâmplă adesea în ştiinţă, 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 şi în celulele procariote, sau bacteriene, care, în mod tradiţional, au fost definite drept celule care nu conţin organite. Această descoperire ar putea avea efecte profunde asupra modului în care oamenii de ştiinţă înţeleg biologia celulelor procariote.
Doar aproximativ 6% din proteinele bacteriene au regiuni dezordonate lipsite de structură, în comparaţie cu 30% până la 40% din proteinele eucariote, sau nonbacteriene, explică profesorul. Dar oamenii de ştiinţă au găsit mai multe condensate biomoleculare în celulele procariote care sunt implicate într-o varietate de funcţii celulare, inclusiv producerea şi descompunerea ARN-urilor.
Prezenţa condensatelor biomoleculare în celulele bacteriene înseamnă că aceşti microbi nu sunt simple pungi de proteine şi acizi nucleici, ci sunt de fapt mai complecşi 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 naţional de Cancer/ Institutele Naţionale de Sănătate din Statele Unite via Wikimedia Commons
Originile vieţii
Condensatele biomoleculare schimbă, de asemenea, modul în care oamenii de ştiinţă gândesc despre originile vieţii pe Pământ.
Există numeroase dovezi că nucleotidele, elementele de bază ale ARN şi ADN, pot fi fabricate foarte plauzibil din substanţe chimice obişnuite, cum ar fi cianura de hidrogen şi apa, în prezenţa unor surse de energie obişnuite, cum ar fi lumina ultravioletă sau temperaturile ridicate, pe minerale universal comune, cum ar fi siliciul şi argila de fier.
Există, de asemenea, dovezi că nucleotidele individuale se pot asamblaspontan în lanţuripentru a forma ARN. Acesta este un pas crucial în ipoteza lumii ARN, care postulează că primele „forme de viaţă” de pe Pământ au fost şiruri de ARN-uri.
O întrebare majoră este cum ar fi putut aceste molecule de ARN să dezvolte mecanisme pentru a se replica şi a se organiza într-o protocelulă. Întrucât toate formele de viaţă cunoscute sunt închise în membrane, cercetătorii care studiază originea vieţii au presupus în mare parte că membranele ar trebui să încapsuleze şi 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 şi mai plauzibil faptul că moleculele vii au apărut pe Pământ din substanţe chimice nevii, spune profesorul.
Noi tratamente
Pentru oamenii de ştiinţă care studiază condensatele biomoleculare este interesant modul în care aceste entităţi care încalcă regulile ar putea schimba perspectiva asupra modului în care funcţionează biologia. Condensatele xx precum Alzheimer, Huntington şi 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 aş fi surprins dacă fiecărui condensat biomolecular i s-ar atribui în cele din urmă o anumită funcţie. Dacă acest lucru se va întâmpla, pot paria că elevii de biologie de liceu vor avea şi mai multe de învăţat - sau despre care să se plângă - la cursurile lor introductive de biologie", concluzionează prof. Albig.
