Neu entdeckte elektrische Aktivität in Zellen könnte die Art und Weise verändern, wie Forscher über biologische Chemie denken

Der menschliche Körper ist stark auf elektrische Ladungen angewiesen. Blitzartige Energieimpulse fliegen durch das Gehirn und die Nerven, und die meisten biologischen Prozesse hängen von elektrischen Ionen ab, die durch die Membranen jeder Zelle in unserem Körper wandern.

Diese elektrischen Signale sind teilweise aufgrund eines Ungleichgewichts der elektrischen Ladungen möglich, das auf beiden Seiten einer Zellmembran besteht. Bis vor kurzem glaubten Forscher, dass die Membran eine wesentliche Komponente für die Schaffung dieses Ungleichgewichts sei. Aber dieser Gedanke wurde auf den Kopf gestellt, als Forscher der Stanford University entdeckten, dass ähnliche unausgeglichene elektrische Ladungen zwischen Mikrotröpfchen aus Wasser und Luft bestehen können.

Nun haben Forscher der Duke University entdeckt, dass diese Arten von elektrischen Feldern auch innerhalb und um eine andere Art von Zellstruktur herum existieren, die als biologische Kondensate bezeichnet wird. Wie im Wasser schwimmende Öltröpfchen entstehen diese Strukturen aufgrund von Dichteunterschieden. Sie bilden Kompartimente innerhalb der Zelle, ohne die physikalische Grenze einer Membran zu benötigen.

Inspiriert von früheren Forschungsergebnissen, die zeigten, dass Mikrotröpfchen aus Wasser, die mit Luft oder festen Oberflächen interagieren, winzige elektrische Ungleichgewichte erzeugen, entschieden sich die Forscher zu prüfen, ob das auch für kleine biologische Kondensate gilt. Sie wollten auch sehen, ob diese Ungleichgewichte reaktive Sauerstoff-, „Redox“-Reaktionen wie diese anderen Systeme auslösen.

Erscheint am 28. April in der Zeitschrift Chem, könnte ihre grundlegende Entdeckung die Art und Weise verändern, wie Forscher über biologische Chemie denken. Es könnte auch einen Hinweis darauf geben, wie das erste Leben auf der Erde die zur Entstehung benötigte Energie nutzte.

„Woher würde in einer präbiotischen Umgebung ohne Enzyme zur Katalyse von Reaktionen die Energie kommen?“ fragte Yifan Dai, ein Duke-Postdoktorand, der im Labor von Ashutosh Chilkoti, dem Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering, und Lingchong You, dem James L. Meriam Distinguished Professor of Biomedical Engineering, arbeitet.

„Diese Entdeckung liefert eine plausible Erklärung dafür, woher die Reaktionsenergie stammen könnte, ebenso wie die potenzielle Energie, die einer in einem elektrischen Feld platzierten Punktladung verliehen wird“, sagte Dai.

Wenn elektrische Ladungen von einem Material zum anderen springen, können sie Molekülfragmente erzeugen, die sich paaren und Hydroxylradikale bilden können, die die chemische Formel OH haben. Diese können sich dann wieder paaren, um Wasserstoffperoxid (H2O2) in winzigen, aber nachweisbaren Mengen zu bilden.

„Aber Grenzflächen wurden selten in anderen biologischen Regimen als der Zellmembran untersucht, die einer der wichtigsten Bestandteile der Biologie ist“, sagte Dai. „Deshalb haben wir uns gefragt, was an der Grenzfläche von biologischen Kondensaten passieren könnte, also ob es sich auch um ein asymmetrisches System handelt.“

Zellen können biologische Kondensate bilden, um bestimmte Proteine ​​und Moleküle entweder zu trennen oder zusammenzuhalten, wodurch ihre Aktivität entweder behindert oder gefördert wird. Forscher beginnen gerade erst zu verstehen, wie Kondensate funktionieren und wofür sie verwendet werden könnten.

Da sich das Chilkoti-Labor auf die Herstellung synthetischer Versionen natürlich vorkommender biologischer Kondensate spezialisiert hat, konnten die Forscher leicht einen Prüfstand für ihre Theorie erstellen. Nach der Kombination der richtigen Formel von Bausteinen zur Herstellung winziger Kondensate mit Hilfe des Postdoktoranden Marco Messina in? Christopher J. Changs Gruppe an der University of California – Berkeley fügten sie dem System einen Farbstoff hinzu, der in Gegenwart von reaktiven Sauerstoffspezies leuchtet.

Ihre Vermutung war richtig. Wenn die Umgebungsbedingungen stimmten, begann ein solides Leuchten an den Rändern der Kondensate, was bestätigte, dass ein zuvor unbekanntes Phänomen am Werk war. Als nächstes sprach Dai mit Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor für Chemie in Stanford, dessen Gruppe das elektrische Verhalten von Wassertröpfchen feststellte. Zare war begeistert, von dem neuen Verhalten in biologischen Systemen zu hören, und begann, mit der Gruppe an dem zugrunde liegenden Mechanismus zu arbeiten.

„Inspiriert durch frühere Arbeiten an Wassertröpfchen dachten mein Doktorand Christian Chamberlayne und ich, dass die gleichen physikalischen Prinzipien auf die Redoxchemie angewendet und gefördert werden könnten, wie beispielsweise die Bildung von Wasserstoffperoxidmolekülen“, sagte Zare. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, warum Kondensate für die Funktion von Zellen so wichtig sind.“

„Die meisten bisherigen Arbeiten zu biomolekularen Kondensaten konzentrierten sich auf deren Innereien“, sagte Chilkoti. „Yifans Entdeckung, dass biomolekulare Kondensate universell redoxaktiv zu sein scheinen, legt nahe, dass sich Kondensate nicht einfach entwickelt haben, um spezifische biologische Funktionen auszuführen, wie allgemein angenommen wird, sondern dass sie auch mit einer kritischen chemischen Funktion ausgestattet sind, die für Zellen unerlässlich ist.“

Während die biologischen Auswirkungen dieser laufenden Reaktion in unseren Zellen nicht bekannt sind, weist Dai auf ein präbiotisches Beispiel hin, das zeigt, wie stark seine Wirkung sein könnte. Die Kraftwerke unserer Zellen, Mitochondrien genannt, erzeugen Energie für alle unsere Lebensfunktionen durch denselben grundlegenden chemischen Prozess. Aber bevor es Mitochondrien oder auch nur die einfachsten Zellen gab, musste etwas Energie liefern, damit die allererste Lebensfunktion zu arbeiten begann.

Forscher haben vorgeschlagen, dass die Energie von Thermalquellen in den Ozeanen oder heißen Quellen bereitgestellt wurde. Andere haben vorgeschlagen, dass dieselbe Redoxreaktion, die in Wassermikrotröpfchen auftritt, durch die Gischt von Meereswellen erzeugt wurde.

Aber warum nicht stattdessen Kondensate?

„Magie kann passieren, wenn Substanzen winzig werden und das Grenzflächenvolumen im Vergleich zu seinem Volumen enorm wird“, sagte Dai. „Ich denke, die Auswirkungen sind für viele verschiedene Bereiche wichtig.“