Открытие нового вида электрической активности в наших клетках, раскрывающее истоки жизни
Наши клетки специализируются на проведении электрических токов. Это связано с тем, что электричество необходимо нервной системе для передачи сигналов между телом и мозгом, что позволяет нам двигаться, думать и чувствовать. Недавно исследователи обнаружили новую электрическую активность в клетках. Это может изменить представления ученых о биологической химии и даже помочь понять происхождение жизни на Земле.
Человеческое тело, как и тело любого живого организма, приводится в движение электрической активностью, которая обеспечивает движение, мышление и ощущения. Молниеподобные импульсы энергии проходят через мозг и нервы, а большинство биологических процессов зависит от электрических ионов (таких, как натрий, калий, кальций и магний), проходящих через мембраны каждой клетки нашего тела.
Фактически, содержимое клетки защищено от внешней среды мембраной, состоящей из липидов и создающей барьер, который могут пересечь только определенные вещества или молекулы. Она также служит клетке средством для генерирования электрического тока.
Клетки в состоянии покоя внутри заряжены отрицательно, в то время как внешняя среда "скорее" положительно заряжена. Это происходит из-за небольшого дисбаланса между положительными и отрицательными ионами внутри и снаружи клетки. Клетки могут достичь такого разделения зарядов, позволяя заряженным ионам входить и выходить через мембрану. Поток зарядов через клеточную мембрану - это то, что создает электрические токи.
Поэтому мембрана казалась важным элементом для создания дисбаланса зарядов в экспериментальных целях. Однако исследователи из Стэнфордского университета в 2019 году обнаружили, что подобные несбалансированные электрические заряды могут существовать между микрокапельками воды и воздуха без наличия мембраны.
Недавно исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что подобные электрические поля также существуют в и вокруг другого типа клеточных структур, называемых биологическим конденсатом. Подобно каплям масла, плавающим в воде, эти структуры существуют благодаря различиям в плотности. Они образуют отсеки внутри клетки, не нуждаясь в физической границе в виде мембраны. Новое исследование опубликовано в журнале .
Для создания электричества не нужна мембрана
Клетки могут создавать биологические конденсаты, чтобы разделять или удерживать вместе определенные белки и молекулы, препятствуя или способствуя их активности. Исследователи только начинают понимать, как работают конденсаты и для чего они могут быть использованы.
Исследование, опубликованное в журнале , определяет их как отсеки микронного размера в эукариотических клетках, которые не имеют окружающих мембран, но действуют для концентрации белков и нуклеиновых кислот. Эти конденсаты участвуют в различных процессах, включая метаболизм РНК, биогенез рибосом, реакцию на повреждение ДНК и передачу сигналов.
Вдохновленные предыдущими исследованиями, показавшими, что микрокапли воды, взаимодействующие с воздухом или твердыми поверхностями, создают крошечный электрический дисбаланс, ученые решили проверить, справедливо ли то же самое для небольших биологических конденсатов, и вызывают ли эти дисбалансы реактивные кислородные реакции, известные как "окислительно-восстановительными реакциями", как в других системах.
Действительно, при обмене электрическими зарядами (электронами) между двумя материалами могут образовываться молекулярные фрагменты, которые способны соединяться в пары и образовывать гидроксильные радикалы - химическая формула OH. Затем они могут снова соединяться в пары, образуя перекись водорода (H2O2) в небольших, но различимых количествах. Также известная как перекись водорода в водном растворе, она играет ключевую роль в химическом составе воды и озона в атмосфере.
Ифань Дай, постдокторант Дьюка и соавтор исследования, поясняет: "Но процессы взаимодействия редко изучались в других биологических режимах, кроме клеточной мембраны, которая является одной из самых важных частей биологии. Поэтому нам стало интересно, что может происходить на границе раздела биологических конденсатов, т.е. является ли она также асимметричной системой".
Лаборатория профессора Чилкоти в Дьюке специализируется на создании синтетических версий природных биологических конденсатов, что позволяет авторам легко разрабатывать их для проверки своей теории, добавляя краситель, который светится в присутствии веществ, реагирующих на кислород, индикатор "окислительно-восстановительных" реакций.
Затем авторы обнаружили, что при соответствующих условиях окружающей среды от краев конденсатов начинает исходить свечение, что подтверждает наличие ранее не предполагавшегося электрического явления. Ашутош Чилкоти говорит: "Это открытие позволяет предположить, что конденсаты не просто эволюционировали для выполнения биологических функций, но и выполняют важнейшую химическую функцию, необходимую для клеток".
Конденсаты, необходимые для появления жизни на Земле?
Хотя биологические последствия этой непрерывной реакции внутри наших клеток неизвестны, Дай приводит пребиотический пример силы ее воздействия: электростанции наших клеток, называемые митохондриями, создают энергию для всех жизненных функций с помощью того же основного химического процесса. Но прежде чем появились митохондрии или даже простейшие клетки, что-то должно было обеспечить энергией самые первые жизненные функции...
Он объясняет, что в пребиотической среде без ферментов, катализирующих реакции, открытие электрических полей в биологических конденсатах может дать ключ к разгадке происхождения жизни как источника энергии.