Kondensaty biomolekularne, czyli bezbłonowe skupiska DNA, RNA i białek, mogą mieć własną aktywność katalityczną. Tak wynika z badań zespołów z Washington University w St. Louis, prowadzonych przez Yifana Daia i Rohita V. Pappu. Naukowcy nazwali zaobserwowane struktury „kondenzymami”, ponieważ mogą ułatwiać przebieg reakcji chemicznych mimo braku składników, które kojarzymy z klasycznymi enzymami. Wyniki opisano w czasopiśmie „Molecular Cell”.
Kondensaty biomolekularne występują w wielu układach biologicznych, między innymi u bakterii, wirusów, roślin i ssaków. Są to skupiska cząsteczek, które powstają w komórkach bez udziału klasycznej błony otaczającej. Zawierają między innymi białka oraz kwasy nukleinowe, a więc cząsteczki odpowiedzialne za przechowywanie, przekazywanie i odczytywanie informacji genetycznej. W takich skupiskach mogą spotykać się różne molekuły, co tworzy warunki do koordynowania reakcji biochemicznych.
Podstawą powstawania kondensatów jest rozdział fazowy. W uproszczeniu można go porównać do rozdzielania się oleju i wody, choć w komórce proces ten zachodzi między cząsteczkami biologicznymi i zależy od ich właściwości oraz wzajemnych oddziaływań. W rezultacie część składników skupia się w obszarze o odmiennym składzie niż otaczające środowisko komórkowe. Dotychczas wiele badań koncentrowało się na tym, jak białka i kwasy nukleinowe tworzą takie struktury oraz jakie cząsteczki są przez nie gromadzone.
Kataliza bez klasycznego centrum enzymu
Nowe badanie wskazuje, że samo skupienie cząsteczek może prowadzić do powstania dodatkowej właściwości, czyli zdolności do katalizowania reakcji. Zespoły Daia i Pappu analizowały kondensaty tworzone przez białka pozbawione trwale uporządkowanej struktury. Takie białka, określane jako intrinsically disordered proteins, nie przyjmują jednej stabilnej konfiguracji przestrzennej, a mimo to mogą uczestniczyć w tworzeniu funkcjonalnych skupisk. W badanych kondensatach nie znaleziono klasycznych elementów, które same w sobie pełniłyby funkcję katalizatora. Mimo to struktury te wykazywały aktywność charakterystyczną dla układów katalitycznych.
- Na powierzchniach kondensatów powstają pola elektryczne, które mogą wpływać na przebieg reakcji chemicznych.
- Na granicy kondensatu zmieniają się podstawowe właściwości cząsteczek wody, co również sprzyja katalizie.
- Badacze obserwowali między innymi esterolizę, czyli rozpad estrów na kwas i alkohol, oraz hydrolizę, w której woda rozrywa wiązania chemiczne.
- Kondensaty katalizowały hydrolizę różnych związków, w tym ATP, cząsteczki przenoszącej energię w komórkach.
Pole elektryczne i woda na granicy kondensatu
Zdaniem autorów kluczową rolę odgrywa powierzchnia kondensatu, czyli obszar graniczny między jego wnętrzem a otoczeniem. W tym miejscu mogą powstawać pola elektryczne. Oddziaływania te zmieniają warunki, w jakich znajdują się reagujące cząsteczki, i mogą ułatwiać przeprowadzenie określonych reakcji. Drugim elementem mechanizmu są zmiany właściwości wody na granicy kondensatu. Woda nie jest w komórce jedynie biernym rozpuszczalnikiem, ponieważ jej ułożenie i sposób oddziaływania z innymi cząsteczkami wpływają na przebieg reakcji chemicznych. Badacze wskazali, że połączenie pola elektrycznego z tymi zmianami może odpowiadać za obserwowaną aktywność katalityczną.
W eksperymentach analizowano kilka typów reakcji. Należała do nich esteroliza, w której ester rozpada się na kwas i alkohol, a także hydroliza, wykorzystująca wodę do rozrywania wiązań chemicznych. Kondensaty mogły katalizować hydrolizę różnorodnych związków, co ma znaczenie dla procesów związanych z rozpadem kwasów nukleinowych. Wykazano również hydrolizę ATP, czyli adenozynotrifosforanu. ATP jest cząsteczką, która przenosi energię wykorzystywaną w wielu procesach komórkowych. Wynik nie oznacza, że każdy kondensat w każdej komórce wykonuje wszystkie te reakcje, lecz pokazuje, że tego rodzaju skupiska mogą mieć szersze właściwości chemiczne, niż wcześniej zakładano.
Znaczenie dla obrazu komórkowej biochemii
Aktywność kondensatów wykazano także w komórkach bakteryjnych. To istotny element pracy, ponieważ pokazuje, że opisywane właściwości nie ograniczają się wyłącznie do modelowego układu przygotowanego poza komórką. Autorzy wskazują, że kondensaty mogą w ten sposób wpływać na lokalny krajobraz biochemiczny komórki, czyli na to, jakie reakcje zachodzą w określonych miejscach i w jakich warunkach. Sam fakt występowania katalizy nie rozstrzyga jednak, jak duży jest jej udział w konkretnych procesach zachodzących w żywych organizmach.
Badanie połączyło kompetencje kilku zespołów. Laboratorium Daia wniosło doświadczenie w analizie zjawisk elektrochemicznych, a laboratorium Pappu zajmowało się między innymi modelowaniem obliczeniowym i biochemią kondensatów. W pracach uczestniczyli także naukowcy z Columbia University, Stanford University i Harvard University. Wcześniejsze badania tych grup dostarczyły części przesłanek dla obecnego wyniku. W 2023 roku zespół Daia opisał potencjał elektryczny na granicy kondensatów oraz możliwość napędzania przez międzyfazowe pole elektryczne reakcji utleniania i redukcji. Zespół Pappu wykazywał natomiast, że naturalne kondensaty, takie jak jąderka, mogą mieć gradienty pH i potencjały przypominające właściwości obserwowane w układach otoczonych błoną.
Odkrycie kondenzymów wpisuje się w szerszą zmianę w rozumieniu funkcji kondensatów biomolekularnych. Przez pewien czas dyskutowano, czy są one aktywnymi strukturami komórki, czy raczej biernymi skupiskami cząsteczek, które tylko towarzyszą innym procesom. Opisywane wyniki przemawiają przeciwko traktowaniu wszystkich kondensatów jako biernych obserwatorów, ale nie dowodzą, że każdy z nich pełni funkcję katalityczną. Pokazują natomiast, że rozdział fazowy może tworzyć warunki chemiczne o własnych, wyłaniających się właściwościach.
Hipotezy dotyczące fizjologii i chorób
Autorzy pracy przedstawiają dwa możliwe scenariusze dotyczące znaczenia tych właściwości w żywych komórkach. Komórki mogły wykształcić mechanizmy wykorzystujące naturalną aktywność katalityczną kondensatów albo mechanizmy, które ograniczają jej skutki. Jest to interpretacja i kierunek dalszych badań, a nie bezpośredni wniosek, że opisane kondenzymy odpowiadają za konkretne choroby lub procesy fizjologiczne. Pappu wskazuje jednak, że wyniki mogą mieć znaczenie dla dalszych analiz fizjologii komórki, chorób takich jak nowotwory i choroby neurodegeneracyjne, a także biologii syntetycznej. Na obecnym etapie najważniejszym rezultatem jest wykazanie, że skupiska pozbawione błony i klasycznych elementów enzymów mogą same tworzyć środowisko sprzyjające katalizie. To poszerza katalog mechanizmów, które trzeba brać pod uwagę przy opisywaniu reakcji biochemicznych w komórkach.
