Вспомнит базовый школьный курс биологии. Вероятно, тогда вы узнали об органеллах — маленьких «органах» внутри клеток, которые выполняют отдельные функции. Например, митохондрии производят энергию, лизосомы утилизируют отходы, а ядро хранит ДНК. Хотя у каждой органеллы своя функция, они похожи тем, что все окружены мембраной.
Органеллы, защищенные мембраной, были классическим стандартом того, как, по мнению ученых, устроены клетки. Но в середине 2000-х годов они обнаружили, что некоторым органеллам мембрана не нужна. С тех пор исследователи открыли множество безмембранных органелл, и это существенно изменило представления биологов о химии и происхождении жизни.
Я познакомился с безмембранными органеллами, официально называемыми биомолекулярными конденсатами, пару лет назад. Тогда студенты моей лаборатории заметили в клеточном ядре какие-то необычные сгустки. Я не знал, что мы уже много лет изучаем биомолекулярные конденсаты. То, что я наконец увидел в этих шариках, открыло мне глаза на совершенно новый мир биологии клетки.
Клеточная лава-лампа
Чтобы понять, как выглядит биомолекулярный конденсат, представьте себе лавовую лампу, внутри которой капли воска сливаются вместе, распадаются на части и снова сливаются. Конденсаты образуются примерно таким же образом, хотя состоят и не из воска. Вместо этого скопление белков и генетического материала, в частности молекул РНК, в клетке конденсируется в гелеобразные капли.
Это происходит потому, что некоторые белки и РНК взаимодействуют друг с другом, а не с окружающей средой, подобно тому, как восковые капли в лавовой лампе смешиваются друг с другом, а не с окружающей жидкостью. Эти конденсаты создают новую микросреду, которая притягивает дополнительные молекулы белков и РНК, образуя таким образом уникальный биохимический отдел внутри клеток.
К 2022 году исследователи обнаружили около 30 видов этих безмембранных биомолекулярных конденсатов. Для сравнения, традиционных органелл с мембранами известно около десятка.
Биомолекулярные конденсаты легко определить, если знать, что искать. При этом выяснить, что именно они делают, довольно сложно. Некоторые из них играют вполне определенную роль, например, образуют репродуктивные клетки, стрессовые гранулы и белковые рибосомы. Однако многие другие не имеют четких функций.
Биомолекулярные конденсаты могут выполнять более многочисленные и разнообразные функции, чем их собратья с мембраной. Узнать об этих неизвестных функциях — значит повлиять на фундаментальное понимание того, как работают клетки.
Структура и функция белков
Биомолекулярные конденсаты разрушают некоторые давно устоявшиеся представления о химии белков.
В 1950-х годах ученые впервые хорошо изучили структуру белка миоглобина. Тогда стало ясно, что его структура важна для способности переносить кислород в мышцы. С тех пор для биохимиков стало универсальной истиной утверждение, что структура белка равна его функции. По сути, белки имеют определенную форму, которая позволяет им выполнять свою работу.
Белки, образующие биомолекулярные конденсаты, по крайней мере частично нарушают это правило, поскольку содержат неупорядоченные области, то есть не имеют определенной формы. Когда в начале 1980-х годов исследователи открыли эти так называемые внутренне-неупорядоченные белки, то сначала были озадачены тем, как эти белки могут не иметь прочной структуры, но при этом выполнять определенные функции.
Позже они обнаружили, что такие белки формируют конденсаты. Как часто бывает в науке, это открытие разрешило одну загадку о роли внутренне-неупорядоченных белков-отщепенцев в клетке, но открыло другой, более глубокий вопрос о том, что же на самом деле представляют собой биомолекулярные конденсаты.
Клетки бактерий
Исследователи также обнаружили биомолекулярные конденсаты в прокариотических, или бактериальных клетках, которые, как традиционно считалось, не содержат органелл. Это открытие может оказать глубокое влияние на понимание учеными биологии простейших клеток.
Лишь около 6% бактериальных белков имеют неупорядоченные части, лишенные структуры, по сравнению с 30%-40% эукариотических, или небактериальных, белков. Но ученые обнаружили в простейших клетках несколько биомолекулярных конденсатов, которые участвуют в различных клеточных функциях, включая создание и разрушение РНК.
Наличие биомолекулярных конденсатов в бактериальных клетках означает, что эти существа не являются простыми совокупностями белков и нуклеиновых кислот, а представляют собой более сложные организмы, чем считалось ранее.
Происхождение жизни
Биомолекулярные конденсаты также меняют представления ученых о происхождении жизни на Земле.
Существует множество доказательств того, что нуклеотиды, строительные блоки РНК и ДНК, можно получить из обычных химических веществ, например, цианистого водорода и воды, в присутствии обычных источников энергии, таких как ультрафиолет или высокая температура, на повсеместно распространенных минералах, например, кремнеземе и железосодержащей глине.
Существуют также доказательства того, что отдельные нуклеотиды могут спонтанно собираться в цепочки, образуя РНК. Это важнейший шаг в гипотезе о мире РНК, которая утверждает, что первыми «формами жизни» на Земле были нити РНК.
Главный вопрос заключается в том, как эти молекулы РНК эволюционировали, чтобы воспроизводить себя и формировать протоклетки. Поскольку все известные живые организмы обладают мембранами, исследователи, изучающие происхождение жизни, в основном предполагали, что мембраны должны были заключить в себе и эти РНК. Для этого необходимо синтезировать липиды, или жиры, из которых состоят мембраны. Однако материалов, необходимых для производства липидов, на ранней Земле, скорее всего, не было.
Благодаря открытию того, что РНК могут спонтанно образовывать биомолекулярные конденсаты, стало ясно, что липиды для формирования протоклеток не нужны. Если РНК способны самостоятельно объединяться в биомолекулярные конденсаты, становится еще более правдоподобным, что живые молекулы возникли из неживых химических веществ на Земле.
Новые виды лечения
Для меня и других ученых, изучающих биомолекулярные конденсаты, захватывающе интересна идея о том, как эти структуры меняют все наши представления о биологии. Биомолекулярные конденсаты уже сейчас заставляют нас задуматься о таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, Хантингтона и Лу Герига.
С этой целью исследователи разрабатывают несколько новых подходов к работе с конденсатами в медицинских целях, например, новые лекарства, которые могут способствовать образованию или растворению конденсатов. Какую пользу принесет новый подход к лечению болезней, еще предстоит выяснить.
Не удивлюсь, если в перспективе каждому биомолекулярному конденсату будет присвоена определенная функция. Если это произойдет, то можно быть уверенным, что у школьников будет еще больше задач для изучения (или жалоб) на уроках биологии.