Ricerche

I corpi di inclusione (magenta) in questa microfotografia di Herpesvirus 6, sono aggregati di proteine ​​che formano un tipo di condensato biomolecolare. (Fonte: National Cancer Institute via Wikimedia Commons)

Ripensa a quella classe di biologia di base che hai seguito al liceo. Probabilmente hai appreso degli organelli, quei piccoli 'organi' all'interno delle cellule che formano compartimenti con funzioni specifiche. Ad esempio, i mitocondri producono energia, i lisosomi riciclano i rifiuti e il nucleo immagazzina il DNA. Sebbene ogni organello abbia una funzione diversa, sono simili nel senso che ognuno è avvolto in una membrana.

Gli organelli legati a membrana erano lo standard del libro di testo per il modo in cui gli scienziati pensavano che le cellule fossero organizzate, fino a quando non si sono resi conto a metà degli anni 2000 che alcuni organelli non sono necessariamente avvolti in una membrana. Da allora, i ricercatori hanno scoperto molti organelli senza membrana che hanno cambiato significativamente il modo di pensare alla chimica e alle origini della vita.

Sono stato introdotto agli organelli senza membrana, chiamati formalmente 'condensati biomolecolari', un paio di anni fa quando gli studenti del mio laboratorio hanno osservato alcune macchie insolite in un nucleo cellulare. Senza saperlo, in realtà, avevamo studiato condensati biomolecolari per anni. Quello che ho finalmente visto in quelle macchie mi ha aperto gli occhi a un mondo completamente nuovo della biologia cellulare.

Come una lampada di lava

Per avere un'idea di come appare un condensato biomolecolare, immagina una lava lamp mentre le macchie di cera all'interno si fondono insieme, si rompono e si fondono di nuovo. I condensati si formano più o meno allo stesso modo, sebbene non siano fatti di cera. Invece, un gruppo di proteine ​​e materiale genetico, in particolare molecole di RNA, in una cellula si condensa in goccioline simili a gel.

Alcune proteine ​​e RNA lo fanno perché interagiscono preferibilmente tra loro anziché con l'ambiente circostante, proprio come le macchie di cera in una lampada di lava si mescolano tra loro ma non con il liquido circostante. Questi condensati creano un nuovo microambiente che attira ulteriori proteine ​​e molecole di RNA, formando così un compartimento biochimico unico all'interno delle cellule.

A partire dal 2022, i ricercatori hanno trovato circa 30 tipi di questi condensati biomolecolari senza membrane. In confronto, ci sono circa una dozzina di organelli tradizionali legati a membrana. Sebbene i condensati biomolecolari siano facili da identificare una volta che sai cosa stai cercando, è difficile capire esattamente cosa fanno. Alcuni hanno ruoli ben definiti, come la formazione di cellule riproduttive, granuli di stress e ribosomi produttori di proteine.

Tuttavia, molti altri non hanno funzioni chiare. Gli organelli non legati a membrana potrebbero avere funzioni più numerose e diverse rispetto alle loro controparti legate a membrana. Capire queste funzioni sconosciute sta influenzando la comprensione fondamentale degli scienziati su come funzionano le cellule.

Struttura e funzione proteica

I condensati biomolecolari stanno rompendo alcune credenze consolidate sulla chimica delle proteine. Sin da quando gli scienziati hanno fatto un esame dettagliato della struttura della proteina mioglobina negli anni '50, era chiaro che la sua struttura è importante per la sua capacità di traghettare ossigeno nei muscoli. Da allora, il mantra per i biochimici è stato che quella struttura della proteina equivale alla sua funzione.

Fondamentalmente, le proteine ​​hanno alcune forme che consentono loro di svolgere il proprio lavoro. Le proteine ​​che formano condensati biomolecolari rompono almeno parzialmente questa regola poiché contengono regioni che sono disordinate, il che significa che non hanno forme definite. Quando i ricercatori hanno scoperto queste cosiddette proteine ​​intrinsecamente disordinate (IDP), nei primi anni '80, erano inizialmente confusi da come queste proteine ​​potrebbero non avere una struttura forte, ma comunque avere funzioni specifiche.

Più tardi, hanno scoperto che le IDP tendono a formare condensati. Come spesso accade nella scienza, questa scoperta ha risolto un mistero sui ruoli di queste proteine ​​canaglia nella cellula, solo per aprire un'altra domanda più profonda su cosa siano realmente i condensati biomolecolari.

Cellule batteriche

I ricercatori hanno anche rilevato condensati biomolecolari nelle cellule procariotiche o batteriche, che tradizionalmente erano definite come non contenenti organelli. Questa scoperta potrebbe avere effetti profondi su come gli scienziati comprendono la biologia delle cellule procariotiche. Solo circa il 6% delle proteine ​​batteriche ha regioni disordinate prive di struttura, rispetto al 30%-40% delle proteine ​​eucariotiche o non batteriche.

Ma gli scienziati hanno trovato diversi condensati biomolecolari nelle cellule procariotiche che sono coinvolti in varie funzioni cellulari, che includono la creazione e la scomposizione degli RNA. La presenza di condensati biomolecolari nelle cellule batteriche implica che questi microbi non sono semplici sacchi di proteine ​​e acidi nucleici ma sono in realtà più complessi di quanto ritenuto finora.

Origini della vita

I condensati biomolecolari stanno anche cambiando il modo in cui gli scienziati pensano alle origini della vita sulla terra. Vi sono ampie prove che i nucleotidi, i mattoni di RNA e DNA, possono essere realizzati in modo molto plausibile da sostanze chimiche comuni, come l'acido cianidrico e l'acqua, in presenza di fonti di energia comuni, come la luce ultravioletta o le alte temperature, su minerali universalmente comuni, come silice e argilla ferrosa.

Vi sono anche prove che i singoli nucleotidi possono assemblarsi spontaneamente in catene per creare l'RNA. Questo è un passo cruciale nell'ipotesi del mondo dell'RNA, che postula che le prime 'forme di vita' sulla terra erano filamenti di RNA. Una domanda importante è come queste molecole di RNA potrebbero aver evoluto meccanismi per replicarsi e organizzarsi in una protocellula.

Poiché tutta la vita conosciuta è racchiusa in membrane, i ricercatori che studiano l'origine della vita hanno per lo più ipotizzato che anche le membrane avrebbero dovuto incapsulare questi RNA. Ciò richiederebbe la sintesi di lipidi o grassi, che compongono le membrane. Tuttavia, i materiali necessari per creare i lipidi probabilmente non erano presenti sulla Terra all'inizio.

Con la scoperta che gli RNA possono formare spontaneamente condensati biomolecolari, i lipidi non sarebbero necessari per formare protocellule. Se gli RNA fossero in grado di aggregarsi in condensati biomolecolari da soli, diventa ancora più plausibile che le molecole viventi derivino da sostanze chimiche inanimate sulla Terra.

Nuovi trattamenti

Per me e gli altri scienziati che studiamo i condensati biomolecolari, è eccitante sognare come queste entità che infrangono le regole cambieranno la nostra prospettiva su come funziona la biologia. I condensati stanno già cambiando il modo in cui pensiamo a malattie umane come l'Alzheimer, l'Huntington e la SLA.

A tal fine, i ricercatori stanno sviluppando diversi nuovi approcci per manipolare i condensati per scopi medici, come nuovi farmaci che possono promuovere o dissolvere i condensati. Resta da determinare se questo nuovo approccio al trattamento delle malattie porterà frutti.

A lungo termine, non sarei sorpreso se a ogni condensato biomolecolare verrà infine assegnata una funzione particolare. Se ciò accade, puoi scommettere che gli studenti di biologia delle scuole superiori avranno ancora di più da imparare - o lamentarsi - nelle lezioni introduttive di biologia.