Что такое биомолекулярные конденсаты, которые перевернули биохимию

В школьном курсе биологии мы изучали органеллы – внутриклеточные структуры, выполняющие специализированные функции. Митохондрии, например, – энергетические станции клетки, лизосомы отвечают за переработку отходов, а ядро хранит генетическую информацию в виде ДНК. Все эти органеллы, как правило, имеют мембранное строение, отграничивающее их от цитоплазмы. Такая мембранная архитектура клеток долгое время считалась основополагающей в биологии. Однако, открытие в середине 2000-х годов бесклеточных органелл, получивших название биомолекулярных конденсатов (БМК), радикально изменило наше понимание клеточной организации и эволюции жизни.

Лавовая лампа жизни

Для лучшего понимания структуры и динамики БМКов можно провести аналогию с лавовой лампой. Представьте себе капли воска, которые плавно перемещаются, сливаются и разъединяются внутри лампы. Аналогичный процесс происходит и с конденсатами, хотя вместо воска это скопления белков и РНК – молекул, несущих генетическую информацию и участвующих в синтезе белков. Они образуют гелеобразные капли внутри клетки благодаря специфическим взаимодействиям между своими компонентами. Белки и РНК в конденсате преимущественно взаимодействуют друг с другом, а не с окружающей цитоплазмой, подобно каплям воска, которые "притягиваются" друг к другу, но отталкиваются от воды. Эта селективность взаимодействия – ключевой фактор образования конденсатов.

Механизмы образования БМК базируются на физико-химических принципах, таких как гидрофобные взаимодействия (взаимодействие неполярных участков молекул), ионные связи, водородные связи и π-π-стекинг (взаимодействие ароматических колец). Эти слабые, но многочисленные взаимодействия обеспечивают самоорганизацию молекул в конденсаты.

В отличие от мембранных органелл, конденсаты не имеют четко определенной границы. Их структура скорее напоминает гель или жидкокристаллическую фазу, с градиентом концентрации компонентов от центра к периферии.

Функции БМК

Функции биомолекулярных конденсатов многообразны и активно изучаются. Они участвуют в регулировании экспрессии генов, репарации ДНК, процессинге РНК, сигнальных каскадах и других важных клеточных процессах. Например, некоторые конденсаты действуют как хранилища для определенных белков и РНК, обеспечивая их пространственно-временную регуляцию. Другие конденсаты формируют микроокружение, необходимое для протекания конкретных биохимических реакций, повышая их эффективность. Нарушение образования или функционирования конденсатов может приводить к различным заболеваниям, включая нейродегенеративные расстройства, рак и инфекционные болезни.

Например, в случае болезни Альцгеймера, образование амилоидных бляшек связано с неправильной агрегацией белков, которые могут формировать конденсаты с измененными свойствами. В случае рака, некоторые конденсаты могут способствовать неконтролируемому росту клеток, изменяя регуляцию клеточного цикла. Понимание механизмов образования и функционирования биомолекулярных конденсатов открывает новые перспективы для разработки новых терапевтических стратегий для борьбы с этими заболеваниями.

Более того, изучение биомолекулярных конденсатов проливает свет на эволюцию клеток. Предполагается, что конденсаты могли играть ключевую роль в возникновении жизни на Земле, обеспечивая компартментализацию биомолекул и создание условий для возникновения первых протоклеток. Возможно, конденсаты представляли собой предшественников мембранных органелл, обеспечивая разделение функций и повышение эффективности биохимических процессов в условиях примитивного мира. Дальнейшие исследования в этой области могут раскрыть загадки происхождения жизни и эволюции клеточных структур.

Роль в происхождении жизни

Изучение БМК атов проливает свет на эволюцию клеток. Предполагается, что конденсаты могли играть ключевую роль в возникновении жизни на Земле. БМК могли способствовать концентрации реагентов, увеличивая скорость химических реакций, и обеспечивать пространственное разделение различных метаболических путей.

Гипотеза о роли БМК в абиогенезе (возникновении жизни) подкрепляется фактом относительно простого образования нуклеотидов (строительных блоков ДНК и РНК) из простых неорганических соединений. Цианистый водород (HCN), вода (H₂O) и энергия (например, УФ-излучение или геотермальная активность) на поверхности минералов (кремнезём, сульфиды железа) в условиях ранней Земли могли служить "строительными блоками" для образования нуклеотидов. Далее, эти нуклеотиды могли самопроизвольно ассоциироваться в более сложные структуры, за счёт образования БМК, которые, в свою очередь, образовывали первичные генетические системы. Этот процесс мог происходить в гидротермальных источниках или мелких водоёмах с высокой концентрацией неорганических веществ.