Ludzkie ciało w dużym stopniu opiera się na ładunkach elektrycznych. Błyskawiczne impulsy energii przepływają przez mózg i nerwy, a większość procesów biologicznych zależy od jonów elektrycznych przemieszczających się przez błony każdej komórki w naszym ciele.
Te sygnały elektryczne są częściowo możliwe z powodu braku równowagi ładunków elektrycznych, które istnieją po obu stronach błony komórkowej. Do niedawna naukowcy uważali, że membrana jest niezbędnym elementem tworzenia tej nierównowagi. Ale ta myśl została odwrócona do góry nogami, gdy naukowcy z Uniwersytetu Stanforda odkryli, że podobne niezrównoważone ładunki elektryczne mogą istnieć między mikrokropelkami wody i powietrza.
Teraz naukowcy z Duke University odkryli, że tego typu pola elektryczne istnieją również wewnątrz i wokół innego rodzaju struktury komórkowej zwanej biologicznymi kondensatami. Podobnie jak kropelki oleju pływające w wodzie, struktury te istnieją z powodu różnic w gęstości. Tworzą przedziały wewnątrz komórki bez potrzeby fizycznej granicy błony.
Zainspirowani wcześniejszymi badaniami, które wykazały, że mikrokrople wody wchodzące w interakcje z powietrzem lub powierzchniami stałymi powodują niewielkie zaburzenia równowagi elektrycznej, naukowcy postanowili sprawdzić, czy to samo dotyczy małych biologicznych kondensatów. Chcieli również sprawdzić, czy te braki równowagi wywołują reakcje reaktywnego tlenu, „redoks”, takie jak te inne systemy.
Ich fundamentalne odkrycie, które ukazało się 28 kwietnia w czasopiśmie Chem, może zmienić sposób, w jaki naukowcy myślą o chemii biologicznej. Może również dostarczyć wskazówek, w jaki sposób pierwsze życie na Ziemi wykorzystało energię potrzebną do powstania.
„Skąd miałaby pochodzić energia w środowisku prebiotycznym bez enzymów katalizujących reakcje?” zapytał Yifan Dai, doktor habilitowany Duke, pracujący w laboratorium Ashutosha Chilkotiego, wybitnego profesora inżynierii biomedycznej Alana L. Kaganowa i Lingchong You, wybitnego profesora inżynierii biomedycznej Jamesa L. Meriama.
„To odkrycie dostarcza wiarygodnego wyjaśnienia, skąd mogła pochodzić energia reakcji, podobnie jak energia potencjalna przekazywana ładunkowi punktowemu umieszczonemu w polu elektrycznym” – powiedział Dai.
Kiedy ładunki elektryczne przeskakują między jednym materiałem a drugim, mogą wytwarzać fragmenty molekularne, które mogą łączyć się w pary i tworzyć rodniki hydroksylowe, które mają wzór chemiczny OH. Mogą one następnie ponownie łączyć się w pary, tworząc nadtlenek wodoru (H2O2) w niewielkich, ale wykrywalnych ilościach.
“Ale interfejsy rzadko były badane w reżimach biologicznych innych niż błona komórkowa, która jest jedną z najważniejszych części biologii” – powiedział Dai. „Zastanawialiśmy się więc, co może się dziać na styku kondensatów biologicznych, to znaczy, czy jest to również układ asymetryczny”.
Komórki mogą tworzyć biologiczne kondensaty w celu oddzielenia lub uwięzienia razem pewnych białek i cząsteczek, utrudniając lub promując ich aktywność. Naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, jak działają kondensaty i do czego można je wykorzystać.
Ponieważ laboratorium Chilkoti specjalizuje się w tworzeniu syntetycznych wersji naturalnie występujących kondensatów biologicznych, badaczom z łatwością udało się stworzyć poligon doświadczalny dla swojej teorii. Po połączeniu odpowiedniej formuły bloków budulcowych w celu stworzenia mikroskopijnych kondensatów, z pomocą doktora habilitowanego Marco Messiny z grupy Christophera J. Changa na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, dodali do układu barwnik, który świeci w obecności reaktywnego tlenu gatunek.
Ich przeczucie było słuszne. Kiedy warunki środowiskowe były odpowiednie, na krawędziach kondensatów zaczęła pojawiać się stała poświata, potwierdzając działanie nieznanego wcześniej zjawiska. Następnie Dai rozmawiał z Richardem Zare, profesorem chemii Marguerite Blake Wilbur w Stanford, którego grupa ustaliła elektryczne zachowanie kropelek wody. Zare był podekscytowany, słysząc o nowym zachowaniu w systemach biologicznych, i zaczął pracować z grupą nad mechanizmem leżącym u jego podstaw.
„Zainspirowani wcześniejszymi pracami nad kropelkami wody, mój absolwent Christian Chamberlayne i ja pomyśleliśmy, że te same zasady fizyczne mogą mieć zastosowanie i promować chemię redoks, taką jak tworzenie cząsteczek nadtlenku wodoru” – powiedział Zare. „Te odkrycia sugerują, dlaczego kondensaty są tak ważne w funkcjonowaniu komórek”.
„Większość wcześniejszych prac nad kondensatami biomolekularnymi koncentrowała się na ich wnętrznościach” – powiedział Chilkoti. „Odkrycie Yifana, że kondensaty biomolekularne wydają się być powszechnie aktywne redoks, sugeruje, że kondensaty nie ewoluowały po prostu w celu wykonywania określonych funkcji biologicznych, jak się powszechnie uważa, ale są również wyposażone w krytyczną funkcję chemiczną, która jest niezbędna dla komórek”.
Chociaż biologiczne implikacje tej trwającej reakcji w naszych komórkach nie są znane, Dai wskazuje na prebiotyczny przykład tego, jak potężne mogą być jej skutki. Elektrownie naszych komórek, zwane mitochondriami, wytwarzają energię dla wszystkich funkcji życiowych w ramach tego samego podstawowego procesu chemicznego. Ale zanim pojawiły się mitochondria, a nawet najprostsze komórki, coś musiało dostarczyć energii, aby pierwsza z funkcji życiowych zaczęła działać.
Naukowcy zaproponowali, że energia była dostarczana przez otwory termiczne w oceanach lub gorące źródła. Inni sugerowali, że ta sama reakcja redoks, która zachodzi w mikrokropelkach wody, powstała w wyniku rozprysku fal oceanicznych.
Ale dlaczego zamiast tego nie kondensaty?
“Magia może się zdarzyć, gdy substancje stają się małe, a objętość międzyfazowa staje się ogromna w porównaniu z jej objętością” – powiedział Dai. „Myślę, że implikacje są ważne dla wielu różnych dziedzin”.
Ta praca była wspierana przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-20-1-0241, FA9550-21-1-0170) i National Institutes of Health (MIRA R35GM127042; R01EB029466, R01 GM 79465, R01 GM 139245, R01 ES 28096).