Электрическая искра внутри биологических конденсатов

В новаторском исследовании исследователи обнаружили электрическую активность в биологических конденсатах, клеточных структурах, о которых ранее не было известно, что они обладают такой активностью. Традиционно ученые считали, что электрические дисбалансы, имеющие решающее значение для биологических процессов, могут существовать только через клеточные мембраны. Однако это исследование, основанное на предыдущих исследованиях, которые обнаружили, что такой дисбаланс может возникать между микрокаплями воздуха и воды, показывает, что аналогичные электрические поля также существуют внутри и вокруг биологических конденсатов. Исследователи обнаружили, что эти дисбалансы могут вызывать реактивный кислород или «окислительно-восстановительные» реакции. Открытие не только бросает вызов существующему пониманию биологической химии, но также может дать представление о том, как первая жизнь на Земле использовала энергию, необходимую для ее существования.

Недавно обнаруженная электрическая активность внутри клеток может изменить представление исследователей о биологической химии.

Ученые Университета Дьюка обнаружили электрическую активность в клеточных структурах, называемых биологическими конденсатами.

Это революционное открытие может изменить наше понимание биологической химии и предлагает возможные объяснения происхождения энергии жизни на Земле.

Объяснение происхождения энергии жизни на Земле

Человеческое тело сильно зависит от электрических зарядов. Молниеносные импульсы энергии проходят через мозг и нервы, и большинство биологических процессов зависят от электрических ионов, проходящих через мембраны каждой клетки нашего тела.

Эти электрические сигналы возможны отчасти из-за дисбаланса электрических зарядов, который существует по обе стороны клеточной мембраны. До недавнего времени исследователи считали, что мембрана является важным компонентом в создании этого дисбаланса. Но эта мысль перевернулась с ног на голову, когда исследователи из Стэнфордского университета обнаружили, что подобные несбалансированные электрические заряды могут существовать между микрокаплями воды и воздуха.

Теперь исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что эти типы электрических полей также существуют внутри и вокруг другого типа клеточных структур, называемых биологическими конденсатами. Подобно каплям масла, плавающим в воде, эти структуры существуют из-за различий в плотности. Они образуют компартменты внутри клетки, не нуждаясь в физической границе мембраны.

Вдохновленные предыдущими исследованиями, демонстрирующими, что микрокапли воды, взаимодействующие с воздухом или твердыми поверхностями, создают крошечный электрический дисбаланс, исследователи решили проверить, верно ли то же самое для небольших биологических конденсатов. Они также хотели увидеть, вызывают ли эти дисбалансы реактивный кислород, «окислительно-восстановительные реакции», подобные этим другим системам.

• «В пребиотической среде без ферментов, катализирующих реакции, откуда взяться энергии? Это открытие дает правдоподобное объяснение того, откуда могла взяться энергия реакции, равно как и потенциальная энергия, сообщаемая точечному заряду, помещенному в электрическое поле». — Ифань Дай

Их фундаментальное открытие, опубликованное 28 апреля в журнале Chem , может изменить представление исследователей о биологической химии. Это также может дать ключ к разгадке того, как первая жизнь на Земле использовала энергию, необходимую для возникновения.

• «В пребиотической среде без ферментов, катализирующих реакции, откуда взяться энергии?» — спросил Ифань Дай, научный сотрудник Университета Герцога, работающий в лаборатории Ашутоша Чилкоти, заслуженного профессора биомедицинской инженерии Алана Л. Каганова, и Линчонг Ю., заслуженного профессора биомедицинской инженерии имени Джеймса Л. Мериама.
• «Это открытие дает правдоподобное объяснение того, откуда могла взяться энергия реакции, а также потенциальная энергия, сообщаемая точечному заряду, помещенному в электрическое поле», — сказал Дай.

Образование гидроксильных радикалов

Когда электрические заряды прыгают между одним материалом и другим, они могут создавать молекулярные фрагменты, которые могут образовывать пары и образовывать гидроксильные радикалы, имеющие химическую формулу ОН. Затем они могут снова соединиться, образуя перекись водорода (H2O2) в крошечных, но поддающихся обнаружению количествах.

• «Но интерфейсы редко изучались в других биологических режимах, кроме клеточной мембраны, которая является одной из наиболее важных частей биологии», — сказал Дай. «Поэтому нам было интересно, что может происходить на границе раздела биологических конденсатов, то есть, если это тоже асимметричная система».
• «Эти результаты показывают, почему конденсаты так важны для функционирования клеток». — Ричард Заре

Клетки могут создавать биологические конденсаты, чтобы либо разделять, либо улавливать вместе определенные белки и молекулы, препятствуя или стимулируя их активность. Исследователи только начинают понимать, как работают конденсаты и для чего их можно использовать.

Биологические конденсаты, похожие на капли масла в воде, таят в себе электрический дисбаланс, который мог обеспечить энергию, необходимую для зарождения ранней жизни.

Поскольку лаборатория Чилкоти специализируется на создании синтетических версий встречающихся в природе биологических конденсатов, исследователи легко смогли создать испытательный стенд для своей теории. После комбинирования правильной формулы строительных блоков для создания мельчайших конденсатов с помощью ученого с докторской степенью Марко Мессины из группы Кристофера Дж. Чанга из Калифорнийского университета в Беркли они добавили в систему краситель, который светится в присутствии активных форм кислорода.

Их догадка была верной. Когда условия окружающей среды были подходящими, по краям конденсата начиналось твердое свечение, подтверждая, что работает ранее неизвестное явление. Затем Дай побеседовал с Ричардом Заром, профессором химии Маргариты Блейк Уилбур в Стэнфорде, чья группа установила электрическое поведение капель воды. Зэр был взволнован, узнав о новом поведении биологических систем, и начал работать с группой над лежащим в основе механизмом.

• «Открытие Ифаня о том, что биомолекулярные конденсаты обладают окислительно-восстановительной активностью, предполагает, что конденсаты не просто эволюционировали для выполнения определенных биологических функций, как это обычно понимается, но и что они также наделены критически важной химической функцией, которая необходима для клеток». — Ашутош Чилкоти
• «Вдохновленные предыдущей работой над каплями воды, мой аспирант Кристиан Чемберлейн и я подумали, что одни и те же физические принципы могут применяться и продвигать окислительно-восстановительную химию, такую как образование молекул перекиси водорода», — сказал Заре. «Эти результаты показывают, почему конденсаты так важны для функционирования клеток».
• «Большинство предыдущих работ по биомолекулярным конденсатам были сосредоточены на их внутренностях», — сказал Чилкоти. «Открытие Ифаня о том, что биомолекулярные конденсаты обладают окислительно-восстановительной активностью, предполагает, что конденсаты не просто эволюционировали для выполнения определенных биологических функций, как это обычно понимается, но и что они также наделены критически важной химической функцией, которая необходима для клеток».

Хотя биологические последствия этой продолжающейся реакции в наших клетках неизвестны, Дай указывает на пребиотический пример того, насколько мощными могут быть ее эффекты. Электростанции наших клеток, называемые митохондриями, создают энергию для всех функций нашей жизни посредством одного и того же основного химического процесса. Но до того, как появились митохондрии или даже простейшие клетки, что-то должно было обеспечить энергией самые первые функции жизни, чтобы они начали работать.

• «Волшебство может произойти, когда вещества становятся крошечными, а межфазный объем становится огромным по сравнению с его объемом. Я думаю, что последствия важны для многих различных областей». — Ифань Дай

Исследователи предположили, что энергия обеспечивалась термальными источниками в океанах или горячими источниками. Другие предположили, что та же окислительно-восстановительная реакция, которая происходит в микрокаплях воды, была вызвана брызгами океанских волн.

Но почему бы не конденсаты вместо этого?

• «Волшебство может произойти, когда вещества становятся крошечными, а межфазный объем становится огромным по сравнению с его объемом», — сказал Дай. «Я думаю, что последствия важны для многих различных областей».

Источник

Метки: Биохимия