Denken Sie an den Biologie-Grundkurs, den Sie in der High School besucht haben. Sie haben wahrscheinlich schon von Organellen gehört, den kleinen „Organen“ in Zellen, die Kompartimente mit individuellen Funktionen bilden. Mitochondrien produzieren beispielsweise Energie, Lysosomen recyceln Abfall und der Zellkern speichert DNA. Obwohl jedes Organell eine andere Funktion hat, ähneln sie sich darin, dass jedes Organell von einer Membran umhüllt ist.
Membrangebundene Organellen waren der klassische Standard für die Organisation von Zellen durch Wissenschaftler, bis ihnen Mitte der 2000er Jahre klar wurde, dass einige Organellen nicht von einer Membran umhüllt sein müssen. Seitdem haben Forscher viele weitere membranlose Organellen entdeckt, die die Art und Weise, wie Biologen über Chemie und den Ursprung des Lebens denken, erheblich verändert haben.
Ich habe vor einigen Jahren membranlose Organellen, früher biomolekulare Kondensate genannt, entdeckt, als Studenten in meinem Labor ungewöhnliche Stellen im Zellkern beobachteten. Ohne mein Wissen beschäftigten wir uns schon seit Jahren mit biomolekularen Kondensaten. Was ich letztendlich in diesen Klecksen sah, öffnete mir die Augen für eine völlig neue Welt der Zellbiologie.
Wie eine Lavalampe
Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ein biomolekulares Kondensat aussieht, stellen Sie sich eine Lavalampe vor, in der die Wachstropfen im Inneren verschmelzen, auseinanderbrechen und wieder verschmelzen. Kondensate entstehen auf ähnliche Weise, obwohl sie nicht aus Wachs bestehen. Stattdessen kondensieren eine Gruppe von Proteinen und genetischem Material, insbesondere RNA-Moleküle, in einer Zelle zu gelartigen Tröpfchen.
Einige Proteine und RNAs tun dies, weil sie bevorzugt miteinander und nicht mit ihrer Umgebung interagieren, ähnlich wie Wachstropfen in einer Lavalampe sich miteinander vermischen, aber nicht mit der umgebenden Flüssigkeit. Diese Kondensate schaffen eine neue Mikroumgebung, die zusätzliche Proteine und RNA-Moleküle anzieht und so ein einzigartiges biochemisches Kompartiment innerhalb der Zellen bildet.
Bis zum Jahr 2022 haben Forscher etwa 30 Arten dieser membranfreien biomolekularen Kondensate entdeckt. Im Vergleich dazu sind etwa ein Dutzend traditionelle membrangebundene Organellen bekannt.
Obwohl sie leicht zu identifizieren sind, wenn man weiß, wonach man sucht, ist es schwierig zu verstehen, wofür biomolekulare Kondensate genau verwendet werden. Einige haben genau definierte Rollen, wie etwa die Bildung von Fortpflanzungszellen, Stressgranula und proteinproduzierenden Ribosomen. Viele andere haben jedoch keine klaren Funktionen.
Nicht membrangebundene Organellen können zahlreichere und vielfältigere Funktionen haben als ihre membrangebundenen Gegenstücke. Das Erlernen dieser unbekannten Funktionen beeinflusst das grundlegende Verständnis der Wissenschaftler über die Funktionsweise von Zellen.
Proteinstruktur und -funktion
Biomolekulare Kondensate erschüttern einige lange bestehende Vorstellungen über die Proteinchemie.
Seit Wissenschaftler in den 1950er Jahren erstmals die Struktur des Myoglobinproteins untersuchten, war klar, dass seine Struktur für seine Fähigkeit, Sauerstoff in den Muskeln zu transportieren, wichtig ist. Seitdem lautet das Mantra der Biochemiker, dass die Struktur von Proteinen ihrer Funktion entspricht. Grundsätzlich haben Proteine bestimmte Formen, die es ihnen ermöglichen, ihre Aufgabe zu erfüllen.
Proteine, die biomolekulare Kondensate bilden, verstoßen zumindest teilweise gegen diese Regel, da sie ungeordnete Regionen enthalten, also keine definierte Form haben. Als Forscher Anfang der 1980er Jahre diese sogenannten intrinsisch ungeordneten Proteine (IDPs) entdeckten, waren sie zunächst verwirrt über die Tatsache, dass diesen Proteinen möglicherweise eine feste Struktur fehlt, sie aber dennoch bestimmte Funktionen erfüllen.
Später entdeckten sie, dass PDIs dazu neigen, Kondensate zu bilden. Wie so oft in der Wissenschaft löste diese Entdeckung ein Rätsel über die Rolle dieser unstrukturierten Proteine in der Zelle und eröffnete gleichzeitig eine weitere, tiefere Frage darüber, was biomolekulare Kondensate eigentlich sind.
Bakterienzellen
Forscher haben auch biomolekulare Kondensate in prokaryotischen oder bakteriellen Zellen entdeckt, die traditionell als keine Organellen enthaltend definiert wurden. Diese Entdeckung könnte tiefgreifende Auswirkungen darauf haben, wie Wissenschaftler die Biologie prokaryotischer Zellen verstehen.
Nur etwa 6 % der bakteriellen Proteine weisen ungeordnete Regionen ohne Struktur auf, verglichen mit 30 bis 40 % der eukaryotischen oder nichtbakteriellen Proteine. Wissenschaftler haben jedoch mehrere biomolekulare Kondensate in prokaryotischen Zellen entdeckt, die an verschiedenen Zellfunktionen beteiligt sind, darunter der Produktion und dem Abbau von RNA.
Das Vorhandensein biomolekularer Kondensate in Bakterienzellen bedeutet, dass diese Mikroben keine einfachen Beutel mit Proteinen und Nukleinsäuren sind, sondern tatsächlich komplexer als bisher angenommen.
Ursprünge des Lebens
Biomolekulare Kondensate verändern auch die Art und Weise, wie Wissenschaftler über die Ursprünge des Lebens auf der Erde denken.
Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass Nukleotide, die Bausteine von RNA und DNA, höchstwahrscheinlich aus gängigen Chemikalien wie Blausäure und Wasser in Gegenwart allgemeiner Energiequellen wie ultraviolettem Licht oder hohen Temperaturen auf allgemeiner Ebene hergestellt werden können gängige Mineralien. wie Kieselerde und Eisenton.
Es gibt auch Hinweise darauf, dass sich einzelne Nukleotide spontan zu Ketten zusammenfügen können, um RNA zu produzieren. Dies ist ein entscheidender Schritt in der RNA-Welthypothese, die besagt, dass die ersten „Lebensformen“ auf der Erde RNA-Stränge waren.
Eine wichtige Frage ist, wie diese RNA-Moleküle Mechanismen entwickelt haben könnten, um sich zu replizieren und zu einer Protozelle zu organisieren. Da alles bekannte Leben in Membranen eingeschlossen ist, gehen Forscher, die sich mit dem Ursprung des Lebens befassen, allgemein davon aus, dass Membranen auch diese RNAs einschließen sollten. Dies würde die Synthese der Lipide oder Fette erfordern, aus denen die Membranen bestehen. Die zur Herstellung von Lipiden benötigten Materialien waren jedoch auf der frühen Erde wahrscheinlich nicht vorhanden.
Mit der Entdeckung, dass RNAs spontan biomolekulare Kondensate bilden können, wären Lipide für die Bildung von Protozellen nicht mehr notwendig. Wenn RNAs in der Lage wären, sich selbstständig zu biomolekularen Kondensaten zu aggregieren, wäre es noch plausibler, dass lebende Moleküle aus nicht lebenden Chemikalien auf der Erde entstanden sind.
Neue Behandlungen
Für mich und andere Wissenschaftler, die sich mit biomolekularen Kondensaten befassen, ist es spannend, davon zu träumen, wie diese regelbrechenden Einheiten unsere Sicht auf die Funktionsweise der Biologie verändern werden. Kondensate verändern bereits unsere Wahrnehmung menschlicher Krankheiten wie der Alzheimer-Krankheit, der Huntington-Krankheit und der Lou-Gehrig-Krankheit.
Zu diesem Zweck entwickeln Forscher mehrere neue Ansätze zur Manipulation von Kondensaten für medizinische Zwecke, beispielsweise neue Medikamente, die Kondensate fördern oder auflösen können. Es bleibt abzuwarten, ob dieser neue Ansatz zur Behandlung von Krankheiten Früchte trägt.
Langfristig würde es mich nicht wundern, wenn jedem biomolekularen Kondensat letztendlich eine bestimmte Funktion zugewiesen würde. Wenn das passiert, können wir davon ausgehen, dass die Biologieschüler der weiterführenden Schulen in ihren Einführungskursen in die Biologie noch mehr zu lernen oder sich darüber zu beschweren haben.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Allan Albig, Boise State University
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Allan Albig erhält Fördermittel vom National Institute of Health.