隱藏在我們細胞中的微小“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。您可能了解了細胞，細胞內(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，細胞核儲存 DNA。盡管每個細胞器的功能不同，但它們的相似之處在于每個細胞器都包裹在一層膜中。

膜結(jié)合細胞器是科學家認為細胞如何組織的教科書標準直到他們在 2000 年代中期意識到一些細胞器不需要包裹在膜中。

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

我被介紹給無膜細胞器，正式名稱為生物分子凝聚物，幾年前，當學生在我的實驗室里在細胞核中觀察到一些不尋常的斑點。

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

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，是因為它們優(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，從而在細胞內(nèi)形成一個獨特的生化隔室。

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)合的細胞器可能比膜結(jié)合的細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家對細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)化學的長期信念。

自從科學家們第一次仔細觀察蛋白質(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，生物化學家的口頭禪一直是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等于蛋白質(zhì)功能。基本上，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，因為它們包含無序區(qū)域，這意味著它們沒有明確的形狀。當研究人員發(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)在細胞中所扮演角色的一個謎團，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。

細菌細胞

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

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

細菌細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，而是實際上比以前認識到的要復雜得多。

生命的起源

生物分子凝聚物也正在改變科學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 分子是如何進化出自我復制并組織成原細胞的機制的。因為所有已知的生命都被包裹在膜中，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)的科學家來說，夢想這些打破規(guī)則的實體將如何改變我們對生物學運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)出果實還有待確定。

從長遠來看，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，高中生物學生在他們的入門生物學課程中將有更多的東西要學習或抱怨。

艾倫·阿爾比格， 生物科學副教授，博伊西州立大學

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