Клетки содержат больше мини-"органов", чем считалось: эти "беспредельные" органеллы бросают вызов основам биологии

Традиционно считалось, что органеллы — компартменты внутри клетки, такие как митохондрии или ядро, — обязательно окружены мембраной. Однако с середины 2000-х годов ученые обнаружили, что многие органеллы существуют без мембраны. Эти образования, формально называемые биомолекулярными конденсатами, кардинально меняют представления о химии жизни и ее происхождении.

Как лавовая лампа

Биомолекулярные конденсаты выглядят как гелеобразные капли внутри клетки. Они образуются, когда кластеры белков и молекул РНК конденсируются, предпочитая взаимодействовать друг с другом, а не с окружающей средой — подобно каплям воска в лавовой лампе. Эти конденсаты создают уникальную биохимическую среду, привлекающую дополнительные белки и РНК.

По состоянию на 2022 год исследователи обнаружили около 30 типов таких безмембранных конденсатов. Для сравнения, известно около дюжины традиционных мембранных органелл. Функции многих конденсатов еще неясны, но некоторые из них участвуют в формировании половых клеток, стрессовых гранул и рибосом.

Структура и функция белка

Конденсаты бросают вызов давнему правилу биохимии: структура белка = его функция. Белки, формирующие конденсаты, часто содержат внутренне неупорядоченные области (IDPs), не имеющие четкой формы. Открытие этих белков в начале 1980-х поставило вопрос, как они могут выполнять специфические функции. Позже выяснилось, что IDPs склонны к образованию конденсатов.

Бактериальные клетки

Конденсаты обнаружены и в прокариотических (бактериальных) клетках, которые традиционно определялись как не содержащие органелл. Хотя только около 6% бактериальных белков имеют неупорядоченные области (против 30–40% у эукариот), несколько биомолекулярных конденсатов в бактериях участвуют в различных функциях, включая синтез и деградацию РНК. Это указывает на большую сложность бактериальных клеток, чем считалось ранее.

Происхождение жизни

Конденсаты меняют представления о возникновении жизни на Земле. Согласно гипотезе мира РНК, первые "формы жизни" были цепочками РНК. Ключевой вопрос — как эти молекулы организовались в протоклетку. Раньше предполагалось, что для этого нужны липидные мембраны, но необходимые для их синтеза материалы, вероятно, отсутствовали на ранней Земле.

Открытие того, что РНК могут спонтанно образовывать биомолекулярные конденсаты, устраняет необходимость в липидах для формирования протоклеток. Это делает сценарий возникновения живых молекул из неживых химических веществ еще более правдоподобным.

Новые методы лечения

Изучение конденсатов меняет взгляд на такие заболевания человека, как Альцгеймер, Хантингтон и БАС (болезнь Лу Герига). Исследователи разрабатывают новые подходы для медицинских целей, например, лекарства, способные стимулировать образование или растворение конденсатов. Потенциал этого подхода еще предстоит оценить.

В долгосрочной перспективе каждый биомолекулярный конденсат, вероятно, получит свою конкретную функцию, что еще больше обогатит — или усложнит — базовые курсы биологии.