Роль молекул воды в формировании клеточных конденсатов

Биологические клетки нуждаются в разделении на отдельные реакционные компартменты. Иногда это происходит с помощью мембран, а иногда без них: спонтанная сегрегация определённых типов биомолекул приводит к образованию так называемых конденсатов. Почему и при каких условиях они формируются — предмет текущих исследований.

С помощью компьютерного моделирования профессор Ларс Шефер и доктор Саумиак Мукерджи из Центра теоретической химии Рурского университета в Бохуме (Германия) выявили часто упускаемого из виду игрока: воду. Из-за своего огромного количества маленькие молекулы воды так же важны, как и крупные биомолекулы, в молекулярном «перетягивании каната» движущих сил, лежащих в основе образования конденсатов. Исследователи описали свои выводы в статье, опубликованной в журнале Nature Communications 21 сентября 2023 года.

Существование конденсатов как реакционных пространств в клетках было доказано лишь недавно. «Эти конденсаты невероятно плотно упакованы, что означает наличие молекулярной "давки" биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты», — объясняет Шефер.

Поскольку только определённые макромолекулы образуют такие конденсаты друг с другом, они могут действовать как специфичные микрореакторы для очень конкретных биохимических реакций в клетке. «Поэтому неудивительно, что нарушения в этих процессах связаны с различными заболеваниями», — говорит Шефер.

Почему и при каких обстоятельствах эти конденсаты образуются в клетке? «Основные движущие силы в конечном итоге скрыты в химических взаимодействиях между различными молекулами в клетке», — говорит Мукерджи. «Компьютерное моделирование может помочь пролить свет на это явление, даже в атомных деталях». Как выяснилось, ключевую роль играет часто упускаемый из виду участник молекулярного взаимодействия: вода.

Свойства молекул воды, находящихся внутри плотного конденсата, отличаются от свойств молекул воды снаружи. «Ограничение свободы молекул воды внутри конденсата — неблагоприятная движущая сила, в то время как свобода молекул воды снаружи — благоприятная. Последние выигрывают в этом молекулярном перетягивании каната — пусть и с небольшим отрывом», — объясняет Шефер.

Помимо часто описываемых взаимодействий между макромолекулами, такими как белки, молекулы воды также играют важную роль в образовании биомолекулярных конденсатов в клетках. «Это немного похоже на Давида и Голиафа, — иллюстрирует Мукерджи. — С одной стороны — маленькие молекулы воды, с другой — большие белковые молекулы. Однако молекул воды очень много, и вместе они вносят такой же вклад в движущую силу, как и крупные белки».