Долгое время считалось, что организация каскадного течение биохимических реакций в клетке обеспечивается специальными органеллами. Они своими мембранами ограничивают зоны, где идут процессы синтеза белка (рибосомы), расщепления молекул (лизосомы) или выработки энергии (митохондрии). Именно компартментализация (сепарация клетки на отсеки — компартменты с разделением сложных биохимических процессов на отдельные метаболические пути) является одним из основных способов обеспечения высокой скорости и специфичности химических реакций. И ещё совсем недавно биологи были уверены, что подобная компартментализация служит ключевым условием и единственным принципом организации живых систем. Однако, оказалось, существует и другой подход, при котором также достигается компартментализация, это образование немембранных органелл — биомолекулярных конденсатов.
Жизнь без мембран
На самом деле это всё время находилось перед глазами учёных, ещё с начала эры микроскопирования. В 1830 году исследователи заметили таинственные пятнышки внутри клеточного ядра — ядрышки. Затем было установлено, что в них образуются рибосомы. Ядрышки считались органеллами внутри ядра — именно так многие десятилетия учили школьников и студентов ВУЗов. И только в 2011 году Брэнгвин, Хайман и Митчисон определили, что эти структуры не являются органеллами, состоящими из мембран, а представляют собой жидкие капли, разделённые по фазе. Клифф Брэнгвин из Принстонского университета обнаружил, что ядрышки разделены на несколько концентрических слоёв с различным составом, подобно скорлупе, белку и желтку яйца. И именно такой слоистый конденсат обеспечивает пространственное разделение различных этапов обработки.
В 2017 году Салман Банани ввёл термин «биомолекулярные конденсаты», определяющий их как органеллы клетки, не окружённые мембраной, более плотные, чем цитоплазма, и содержащие белки и нуклеиновые кислоты. Биоконденсаты образуются в результате разделения фаз на границе двух жидкостей LLPS (от англ. Liquid–Liquid Phase Separation) при достижении ключевыми компонентами концентрации насыщения. Обе фазы сосуществуют вместе внутри клетки, они обмениваются содержимым, но при этом не смешиваются. А состав конденсатов может регулироваться более гибко, чем у классических мембранных органелл – здесь нет необходимости в специализированных молекулах и сигналах для импорта и экспорта. С другой стороны, мембранные отсеки в специализированных органеллах способны обеспечивать долгосрочную стабильность, которую трудно поддерживать с помощью биоконденсатов, так как локальная среда в них постоянно изменяется из-за колебаний экспрессии генов и метаболизма молекул.
Разделение фаз исключительно чувствительно к минимальным изменениям физико-химических характеристик среды — pH, температуры, осмотического давления и уровня АТФ в клетке. В то же время регулируемая и обратимая конденсация обеспечивает пространственное взаимодействие белков, выполняющих одну и ту же функцию, что способствует повышению скорости и «точности» химических реакций. Таким образом, клетка за счёт биоконденсатов способна адекватно и быстро реагировать на изменения окружающей среды.
Вариативность и полифункциональность
Большинство биоконденсатов — это округлые структуры, способные сливаться между собой. Молекулы, которые находятся внутри них и на их границах свободно диффундируют. Однако биоконденсаты представлены не только «жидкими каплями», они могут образовывать «комплексные жидкости» — гели и жидкие кристаллы.
Гели обладают упругостью и вязкостью. К их разновидности относятся гидрогели, содержащие большое количество воды. При увеличении концентрации некоторых белков, содержащих неструктурированные участки, образуются твёрдые гидрогели. Они имеют сходство по структуре с патологическими структурами клетки — амилоидами, но в отличие от последних способны растворяться и деполимеризоваться.
В жидких кристаллах компоненты внутренней жидкой субстанции упорядочены в одном направлении. Примером может служить мейотическое веретено клеточного деления, где это достигается за счёт ориентации микротрубочек. Они создают ось, вдоль которой происходит перемещение хромосом и распределение генетического материала при мейотическом делении.
Биоконденсаты действуют, как катализаторы химических реакций. И это происходит, даже если входящие в их состав белки не обладают подобной функцией. За счёт возникновения границы раздела между двумя фазами создаётся градиент концентраций, что приводит к генерации электрического поля, и оно уже запускает биохимические процессы.
Одной из важнейших функций этих уникальных структур является быстрый и обратимый ответ на внешние воздействия. Биоконденсаты осуществляют регуляцию концентрации белков и нуклеиновых кислот в ядре и цитоплазме, инактивацию биологически активных субстанций, сортировку и транспорт веществ и передачу сигнала. Однако точные механизмы этих функций биоконденсатов до сих пор неясны.
Тёмная сторона биоконденсатов
Обладая такими мощными функциональными ресурсами, неудивительно, что сбои в работе биоконденсатов могут приводить к тяжёлой патологии. Развитие нейродегенеративных заболеваний, таких как, к примеру, болезни Паркинсона и Альцгеймера учёные связывают с запутанными, плотными скоплениями белка — амилоидами, которые токсичны для клеток и способны убивать нервную ткань. Подобные белковые агрегаты, вероятно, как раз и способны появляться из-за неправильного контроля работы биоконденсатов.
Было установлено, что биоконденсаты в процессе своего жизненного цикла могут образовывать и накапливать неправильно свёрнутые белки. Это приводит к образованию патологически изменённых, твёрдых стресс-гранул, ассоциированных с такими заболеваниями, как боковой амиотрофический склероз, болезни Альцгеймера и Хантингтона, диабет II типа. В своей работе M. Като показал, что гиперпродукция прионоподобных доменов белков приводила к образованию гидрогелей со структурой сходной с амилоидными агрегатами. Тем не менее в отличие от амилоидов, следует вновь подчеркнуть, что эти гидрогели могли растворяться и деполимеризоваться.
Биоконденсаты, принимая участие в регуляции генов, в случае нарушения в работе, способны привести к онкологическим заболеваниям. Сегодня уже развивается целое направление экспериментальной медицины, называемое конденсационной терапией, для создания лекарственных препаратов с целью профилактики и лечения заболеваний, в основе которых лежит нарушение функционирования биоконденсатов. Одной из её задач является поиск молекул для борьбы с вирусной инфекцией. Возможно, определённые вирусы используют белки, образующие конденсаты для своей репликации. Поэтому воздействие на эти биомолекулярные структуры может нарушить воспроизведение вируса. В 2021 году учёные из Китая и Франции установили, что препарат, переводящий индуцированные вирусом конденсаты (тельца включения) из жидкой фазы в более твёрдую, способен предотвратить заражение респираторно-синцитиальным вирусом человека.
Новый взгляд на зарождение жизни
Возможно, с помощью биоконденсатов была достигнута молекулярная организация, имеющая решающее значение для возникновения жизни на Земле — такое предположение высказала Петра Швилле, профессор биофизики из института биохимии Макса Планка в Германии. Именно так, спонтанным образом клеточные компартменты могли образоваться из предшественников полимерных биомолекул путём разделения жидкой фазы.
О подобных белковых каплях впервые упомянули ещё в 1929 году голландские химики, назвав их коацерватами, а русский биохимик Александр Опарин считал их первыми примитивными «протоклетками». Швилле полагает, что такие компартменты, изолируя одни молекулы от других, создавали градиенты концентрации, которые поддерживали живые организмы в неравновесном состоянии. В свою очередь биофизик Рохит Паппу из Вашингтонского университета в Сент-Луисе считает, что каталитические конденсаты могли играть важную роль в первых живых существах до того, как белки стали обладать ферментативными функциями.
Возможность организации клеточноподобных структур даже из неорганических веществ в экспериментах доказал французский естествоиспытатель Стефан Ледюк. Таким образом ещё в самом начале XX века, по сути, создав новое направление в науке – синтетическую биологию. В своих экспериментах при погружении кусочка хлористого кальция в насыщенный раствор трёхосновного фосфорнокислого калия он наблюдал появление осмотических клеточных структур округлой или эллипсовидной формы. Эти объекты, названные учёным осмотическими клетками, состояли из прозрачной оболочки и жидкого содержимого с твёрдым ядром из хлористого кальция посредине.
По мере растворения хлористого калия Ледюк отмечал рост клеток до объёма в несколько сантиметров в диаметре. При этом скопление клеточных полостей, разделённых осмотическими перегородками, очень напоминало строение многоклеточных живых существ. Добавление в раствор нитратов приводило к появлению на поверхности клеток шипов и игл, а присутствие хлористых щелочей — к образованию червеобразных форм. Если же рост проводился в концентрированном растворе, при добавлении на его поверхность слоя воды, осмотические клетки организовывались в грибоподобные формы. Из всех этих опытов Ледюк сделал вывод о том, что процессы жизни особенно тесно связаны с явлениями, обусловленными осмосом и образованием осмотических перегородок.
Сегодня биоконденсаты раскрывают важный принцип координации процессов, протекающих в клетке. Это масштаб, в котором молекулы работают не поодиночке, а организуются в биомолекулярные кластеры, управляемые коллективной физикой фазовых переходов, однако при этом всё ещё остаются чувствительными к деталям своих молекулярных компонентов. Несмотря на то, что правила, определяющие работу биоконденсатов, пока неизвестны, уже сегодня понятно, что от них зависит сама организация жизни.
Симон Альберти, биофизик из Технического университета Дрездена полагает, что в ближайшее десятилетие нас ждёт много интересного. А по мнению Д. Аллана Драммонда из Чикагского университета, открытие биомолекулярных конденсатов уже сегодня является революцией, которую мы так долго ждали.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме: