隱藏在我們細(xì)胞中的微小“器官”可能會挑戰(zhàn)生命的起源

回想一下你在高中時上過的那門基礎(chǔ)生物課。您可能了解了細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)的那些小“器官”，形成具有各自功能的隔室。

例如，線粒體產(chǎn)生能量，溶酶體回收廢物，細(xì)胞核儲存 DNA。盡管每個細(xì)胞器的功能不同，但它們的相似之處在于每個細(xì)胞器都包裹在一層膜中。

膜結(jié)合細(xì)胞器是科學(xué)家認(rèn)為細(xì)胞如何組織的教科書標(biāo)準(zhǔn)直到他們在 2000 年代中期意識到一些細(xì)胞器不需要包裹在膜中。

從那時起，研究人員發(fā)現(xiàn)了許多其他無膜細(xì)胞器，這些細(xì)胞器顯著改變了生物學(xué)家對化學(xué)和生命起源的看法。

我被介紹給無膜細(xì)胞器，正式名稱為生物分子凝聚物，幾年前，當(dāng)學(xué)生在我的實(shí)驗(yàn)室里在細(xì)胞核中觀察到一些不尋常的斑點(diǎn)。

我不知道的是，我們實(shí)際上已經(jīng)研究生物分子凝聚態(tài)多年了。我最終在這些斑點(diǎn)中看到的東西讓我看到了細(xì)胞生物學(xué)的一個全新世界。

像一盞熔巖燈

要了解生物分子凝聚物是什么樣子，可以想象一盞熔巖燈，里面的蠟塊融合在一起，破裂并再次融合。凝聚以大致相同的方式形成，盡管它們不是由蠟制成的。相反，細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)簇，特別是 RNA 分子，會凝結(jié)成凝膠狀液滴。

一些蛋白質(zhì)和 RNA 之所以這樣做，是因?yàn)樗鼈儍?yōu)先相互相互作用，而不是與周圍環(huán)境相互作用，這非常類似于熔巖燈中的蠟滴相互混合，而不是與周圍液體混合。這些冷凝物創(chuàng)造了一個新的微環(huán)境，吸引了額外的蛋白質(zhì)和 RNA 分子，從而在細(xì)胞內(nèi)形成一個獨(dú)特的生化隔室。

截至 2022 年，研究人員發(fā)現(xiàn)大約30 種無膜生物分子縮合物.相比之下，大約有十幾種已知的傳統(tǒng)膜結(jié)合細(xì)胞器。

雖然一旦你知道自己在尋找什么就很容易識別，但很難弄清楚生物分子凝聚物到底有什么作用。有些具有明確定義的角色，例如形成生殖細(xì)胞,應(yīng)力顆粒和蛋白質(zhì)制造核糖體.但是，許多其他應(yīng)用程序沒有明確的功能。

非膜結(jié)合的細(xì)胞器可能比膜結(jié)合的細(xì)胞器具有更多和多樣化的功能。了解這些未知的功能正在影響科學(xué)家對細(xì)胞工作原理的基本理解。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能

生物分子凝聚物正在打破一些關(guān)于蛋白質(zhì)化學(xué)的長期信念。

自從科學(xué)家們第一次仔細(xì)觀察蛋白質(zhì)肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)在 1950 年代，很明顯，它的結(jié)構(gòu)對于它在肌肉中穿梭氧氣的能力很重要。從那時起，生物化學(xué)家的口頭禪一直是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等于蛋白質(zhì)功能?；旧?，蛋白質(zhì)具有一定的形狀，使它們能夠執(zhí)行其工作。

形成生物分子凝聚物的蛋白質(zhì)至少部分打破了這一規(guī)則，因?yàn)樗鼈儼瑹o序區(qū)域，這意味著它們沒有明確的形狀。當(dāng)研究人員發(fā)現(xiàn)這些所謂的固有無序蛋白 （IDP），在 1980 年代初期，他們最初對這些蛋白質(zhì)如何缺乏強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)但仍執(zhí)行特定功能感到困惑。

后來，他們發(fā)現(xiàn)IDP 往往會形成冷凝物.正如科學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣，這一發(fā)現(xiàn)解開了關(guān)于這些非結(jié)構(gòu)化流氓蛋白質(zhì)在細(xì)胞中所扮演角色的一個謎團(tuán)，卻又引發(fā)了另一個更深層次的問題，即生物分子凝聚物到底是什么。

細(xì)菌細(xì)胞

研究人員還檢測到原核生物中的生物分子凝聚物或細(xì)菌細(xì)胞，傳統(tǒng)上被定義為不含細(xì)胞器。這一發(fā)現(xiàn)可能會對科學(xué)家如何理解原核細(xì)胞的生物學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

只有大約6% 的細(xì)菌蛋白具有缺乏結(jié)構(gòu)的無序區(qū)域，而真核或非細(xì)菌蛋白質(zhì)的 30% 至 40% 則為零。但科學(xué)家們在原核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了幾種涉及多種細(xì)胞功能的生物分子凝聚物，包括 making 和分解 RNA.

細(xì)菌細(xì)胞中存在生物分子凝聚物意味著這些微生物不是簡單的蛋白質(zhì)和核酸袋，而是實(shí)際上比以前認(rèn)識到的要復(fù)雜得多。

生命的起源

生物分子凝聚物也正在改變科學(xué)家對地球生命起源的看法。

有充分的證據(jù)表明，核苷酸，即 RNA 和 DNA 的組成部分，可以非常合理地由常見的化學(xué)物質(zhì)（如氰化氫和水）在常見的能源（如紫外線或高溫）存在下，在普遍常見的礦物（如二氧化硅和鐵粘土.

還有證據(jù)表明，單個核苷酸可以自發(fā)地組裝成鏈來制造 RNA。這是RNA 世界假說，該研究假設(shè)地球上的第一個“生命形式”是 RNA 鏈。

一個主要問題是這些 RNA 分子是如何進(jìn)化出自我復(fù)制并組織成原細(xì)胞的機(jī)制的。因?yàn)樗幸阎纳急话谀ぶ?，所以研究生命起源的研究人員大多假設(shè)膜也需要封裝這些 RNA。

這將需要合成構(gòu)成膜的脂質(zhì)或脂肪。然而，制造脂質(zhì)所需的材料可能在早期地球上不存在。

隨著RNA 可以自發(fā)形成生物分子凝聚物，不需要脂質(zhì)來形成原生細(xì)胞。如果 RNA 能夠自行聚集成生物分子凝聚物，那么活分子產(chǎn)生于地球上無生命化學(xué)物質(zhì)的可能性就更大了。

新療法

對于我和其他研究生物分子凝聚態(tài)的科學(xué)家來說，夢想這些打破規(guī)則的實(shí)體將如何改變我們對生物學(xué)運(yùn)作方式的看法是令人興奮的。凝析油已經(jīng)改變我們的方式想想人類疾病喜歡阿爾茨海默病、亨廷頓和盧·賈里克的。

為此，研究人員正在開發(fā)幾種新方法處理用于醫(yī)療目的的冷凝物比如可以促進(jìn)或溶解凝聚物的新藥。這種治療疾病的新方法是否會結(jié)出果實(shí)還有待確定。

從長遠(yuǎn)來看，如果每個生物分子凝聚物最終都被分配了特定的功能，我不會感到驚訝。如果發(fā)生這種情況，您可以打賭，高中生物學(xué)生在他們的入門生物學(xué)課程中將有更多的東西要學(xué)習(xí)或抱怨。

艾倫·阿爾比格， 生物科學(xué)副教授，博伊西州立大學(xué)

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