Niezidentyfikowana elektryczność międzykomórkowa może przyspieszyć biologię

Ludzkie ciało jest w dużym stopniu zależne od ładunków elektrycznych. Błyskawiczne impulsy energii przemieszczają się przez mózg i nerwy, a większość procesów biologicznych zależy od jonów elektrycznych przemieszczających się przez błony każdej komórki w naszym ciele.

Te sygnały elektryczne są częściowo możliwe z powodu braku równowagi ładunków elektrycznych po obu stronach błony komórkowej. Do niedawna naukowcy uważali, że membrana jest kluczowym elementem w tworzeniu tej nierównowagi. Ale ten pomysł został wywrócony do góry nogami, gdy naukowcy z Uniwersytetu Stanforda odkryli, że podobne niezrównoważone ładunki elektryczne mogą istnieć między małymi kropelkami wody i powietrza.

Teraz naukowcy z Duke University odkryli, że tego typu pola elektryczne występują również w innym typie struktury komórkowej zwanej biologicznymi kondensatorami i wokół nich. Podobnie jak kropelki oleju pływające w wodzie, struktury te istnieją dzięki różnicom w gęstości. Tworzą przedziały w komórce bez potrzeby fizycznej granicy błony.

Zainspirowani wcześniejszymi badaniami pokazującymi, że maleńkie kropelki wody wchodzące w interakcje z powietrzem lub powierzchniami stałymi powodują niewielkie zaburzenia równowagi elektrycznej, naukowcy postanowili sprawdzić, czy to samo dotyczy maleńkich kondensatorów biologicznych. Chcieli również sprawdzić, czy te zaburzenia równowagi wywołały reaktywną reakcję tlenową, reakcję „redoks”, jak te inne systemy.

Ich fundamentalne odkrycie, opisane 28 kwietnia w czasopiśmie Chem, może zmienić sposób, w jaki naukowcy myślą o chemii biologicznej. Może również dostarczyć wskazówek, w jaki sposób pierwsze życie na Ziemi wykorzystało energię potrzebną do pojawienia się.

„W środowisku prebiotycznym, które nie ma enzymów katalizujących reakcje, skąd pochodzi energia?” Yifan Dai, naukowiec z tytułem doktora Duke’a pracujący w laboratorium Ashutosha Chilkutiego, zapytał Alana L. Kaganowa, wybitnego profesora inżynierii biomedycznej i Lingchong Yu, Jamesa L. Merriama, wybitnego profesora inżynierii biomedycznej.

„To odkrycie daje wiarygodne wyjaśnienie, skąd może pochodzić energia interakcji, podobnie jak energia potencjalna przekazywana ładunkowi punktowemu umieszczonemu w polu elektrycznym” – powiedział Day.

Kiedy ładunki elektryczne przeskakują między jedną substancją a drugą, mogą wytwarzać fragmenty molekularne, które mogą łączyć się w pary i tworzyć rodniki hydroksylowe, które mają wzór chemiczny OH. Następnie może ponownie koniugować, tworząc nadtlenek wodoru (H2O2) w małych, ale wykrywalnych ilościach.

„Ale interfejsy rzadko były badane w systemach biologicznych innych niż błona komórkowa, która jest jedną z najważniejszych części biologii” – powiedział Day. „Zastanawialiśmy się więc, co może się dziać na styku kondensatorów biologicznych, to znaczy, czy jest to również układ asymetryczny”.

Komórki mogą budować biologiczne zagęszczacze, aby oddzielać lub ograniczać razem pewne białka i cząsteczki, aby utrudniać lub wzmacniać ich aktywność. Naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, jak działają kondensatory i do czego można je wykorzystać.

Ponieważ laboratorium Chilkoti specjalizuje się w tworzeniu syntetycznych wersji naturalnie występujących biologicznych zagęszczaczy, naukowcy byli w stanie z łatwością stworzyć poligon doświadczalny dla swojej teorii. Po połączeniu prawidłowej formuły bloków budulcowych w celu stworzenia małych kondensatorów, z pomocą naukowca ze stopniem doktora Marco Messina w ? Zespół Christophera J. Changa z University of California w Berkeley dodał do układu barwnik, który świeci w obecności reaktywnych form tlenu.

Ich przeczucie było słuszne. Gdy warunki środowiskowe były odpowiednie, na krawędziach kondensatorów zaczęła pojawiać się silna poświata, potwierdzająca istnienie nieznanego wcześniej zjawiska. Następnego dnia rozmawiał z Richardem Zare, profesorem chemii Margaret Blake Wilber na Uniwersytecie Stanforda, którego grupa ustaliła elektryczne zachowanie kropelek wody. Zare był podekscytowany, słysząc o nowym zachowaniu w systemach biologicznych, i rozpoczął pracę z grupą nad mechanizmem leżącym u jego podstaw.

„Zainspirowani wcześniejszymi pracami nad kropelkami wody, mój absolwent, Christian Chamberlin, i ja pomyśleliśmy, że te same zasady fizyczne mogą mieć zastosowanie i ulepszyć chemię redoks, na przykład tworzenie cząsteczek nadtlenku wodoru” – powiedział Zare. „Wyniki te wskazują, dlaczego supresory są tak ważne dla funkcjonowania komórek”.

„Większość wcześniejszych prac nad adsorbentami biomolekularnymi koncentrowała się na ich wnętrzu” – powiedział Chilcutty. „Odkrycie Yifana, że ​​kondensaty biomolekularne wydają się być aktywne na uniwersalnym poziomie redoks, wskazuje, że kondensatory nie ewoluowały po prostu w celu wykonywania określonych funkcji biologicznych, jak się powszechnie uważa, ale mają również ważną funkcję chemiczną niezbędną dla komórek”.

Podczas gdy biologiczne efekty tej ciągłej interakcji w naszych komórkach są nieznane, Day wskazuje żywy przykład tego, jak potężne mogą być jej skutki. Ośrodki mocy w naszych komórkach, zwane mitochondriami, wytwarzają energię dla wszystkich naszych funkcji życiowych poprzez ten sam podstawowy proces chemiczny. Ale zanim pojawiły się mitochondria, a nawet najprostsze komórki, coś musiało tam być, aby zapewnić energię, aby pierwsze funkcje życiowe zaczęły funkcjonować.

Naukowcy zasugerowali, że energia była dostarczana przez otwory termiczne w oceanach lub gorące źródła. Inni sugerowali, że ta sama reakcja redoks, która zachodzi w maleńkich kropelkach wody, powstała w wyniku rozprysku fal oceanicznych.

Ale dlaczego zamiast tego nie kondensatory?

„Magia może się zdarzyć, gdy materiały stają się małe, a objętość śródmiąższowa staje się ogromna w porównaniu z ich rozmiarem” – powiedział Day. „Myślę, że implikacje są ważne dla wielu różnych obszarów”.

Ta praca była wspierana przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-20-1-0241, FA9550-21-1-0170) i ​​National Institutes of Health (MIRA R35GM127042; R01EB029466, R01 GM 79465, R01 GM 139245, R01 ES 28096).

Cytat: „Biomolekularny interfejs adsorpcyjny moduluje reakcje redoks”, Yifan Dai, Christian F Chamberlain, Marco S Messina, Christopher G Chang, Richard N. Zari, Lingchong Yu, Ashutosh Chilkuti. Kim, 28 kwietnia 2023 r. DOI: 10.1016/j.chempr.2023.04.001