Omfavne kaoset: Hvordan celler høster fra uorden til funksjon
Av David Coppedge, 16. september 2024. Oversatt herfra

Idet paradigmet dreier seg, oppdager biofysikere uventede måter som proteiner manipulerer kaotiske situasjoner mot funksjonelle formål. Noen proteiner stiller ikke opp mot kaos; De omfavner det. De stoler på ikke-ordnede krefter for å få jobbene sine gjort. I denne artikkelen vil vi se på tre klasser av funn som illustrerer hvordan celler utnytter uorden til sin fordel.

Bilde 1. Robert Brown -oppdager av 'Brownske' bevegelser

Brownske skraller
Det enkleste eksemplet på hvordan en celle kan styre uorden mot funksjon er den brownske skrallen. Når studenter blir kjent med mikroskop for første gang, husker vi at vi så på bittesmå celler og partikler i et mikroskop, som glir rundt som om de er fanget i et evig jordskjelv. Brownske bevegelser ble oppkalt etter den skotske botanikeren Robert Brown (1773-1858, avbildet over) som så pollenkorn vibrere kaotisk under et mikroskop. Bevegelsen ble senere forklart av Einstein som grunnet kollisjoner mellom suspenderte partikler og molekyler i den omkringliggende væsken. På grunn av det store antallet involverte molekyler, virker brownsk bevegelse tilfeldig og kan bare beskrives som et statistisk fenomen. Fraværende andre krefter, har bevegelsen ingen foretrukket retning.

En molekylær maskin kan imidlertid utnytte tilfeldigheten i brownsk bevegelse ved å tillate fri bevegelse ved kollisjoner i én retning, men blokkere dem i en annen ved hjelp av en skralle -mekanisme. Vi er kjent med skraller i hverdagsverktøy som skiftnøkler og biljekker, skrev Eric Hedin i fjor -lenke, som vi tvinger i foretrukne retninger ved hjelp av muskler. Hva om tilfeldige vindregning kan få stikknøkkelen til å vende seg om? I en nanoskopisk skala kunne en molekylær maskin utnytte de kaotiske kreftene til brownsk bevegelse ved å låse seg mot bevegelse i retning mot klokken, men tillate den med urviseren.

Dette ville være en måte å automatisere Maxwells demon, for eksempel, som jeg antydet i 2018 -lenke, har en biologisk analog i cellulære ionekanaler. Robert Shedinger -lenke, skrev for et år siden at den browniske skralle-modellen faktisk ser ut til å være mekanismen som noen cellulære motorer fungerer etter. Eksempler inkluderer kinesin og ATP -syntase. De tåler ikke bare kaoset; De er avhengige av det! Se også artikkelen min, "Life Fights Entropy with Intelligent Design." -lenke.

Bilde 2. Molekylære maskiner kan hjelpe holde styringen

Iboende forstyrrede proteiner

Det er nyheter om de rare proteinene som nekter å brette - de "iboende forstyrrede proteiner" (IDP -er) som flop og flail rundt som usofistiserte dansere i den cellulære balletten. En artikkel hos The Scientist -lenke, denne måneden antyder grunner til at vi skal lære å elske dem:
"Disse dynamiske, stadig skiftende proteiner har lenge falt gjennom sprekkene i konvensjonelle strukturelle biologiske metoder og har blitt ekskludert eller ignorert for deres sterke trass mot et sentralt grunnlag i proteinvitenskap: Struktur definerer funksjon. Imidlertid fant et voksende bevismateriale at dette ikke er sjeldne proteiner som utfører rare jobber i nedre deler av cellene våre, og de er heller ikke evolusjonær søppel hamstret i proteomet. De er velkjente enheter som er dypt forankret i regulatorisk biologi. Likevel vet forskere fremdeles veldig lite om de dynamiske og forstyrrede livene til disse proteinene som hjelper til med å holde lysene på i cellene våre."
Ut går en annen "evolusjonær søppel" -oppfatning!

"Så snart jeg hørte om dem, ble jeg forelsket," sa Gabriella Heller, biokjemiker ved University College London. "De var disse rare små molekylene, og de var bare så funky, og de utfordret mange av ideene mine om biokjemi." I løpet av de to siste tiårene har forskere som Heller viet beregnings-biologi og eksperimentelle biofysiske tilnærminger, for å fange opp disse proteinene. Underveis har forskere måttet tenke utenfor (den strukturerte) boksen for å studere uorden.
Ved å forbli løse i stedet for kompakte, kan IDPer "ta på seg mange forskjellige konformasjoner." Dette gir multifunksjonalitet på disse proteinene, noe som gir cellen fleksibilitet framfor statiske proteiner.

Det har vært vanskelig å studere IDP -er gjennom tradisjonelle metoder, men nye teknikker bringer dem gradvis i fokus. Forskere finner mange flere IDP -er enn tenkt. Proteiner kan nå klassifiseres på et spekter fra ordnet til uordnede, noen fullstendig komprimerte, noen fullt "uordnede", og noen med foldede deler og uordnede deler. Nå, lik stygge andunger som vokser til svaner, får IDP -er den respekten de fortjener:

Bilde 3. Proteiner folder seg vanligvis til en stabil form

-Proteiner med uorden er ikke henvist til sidelinjen for cellulær aktivitet. Tvert imot, er uordnede proteiner trofaste støttespillere for cellulær kommunikasjon. “De har så mange ulike funksjoner. Det er utrolig, "sa Heller. Deres konformasjons-frihet letter en slags funksjonell promiskuitet som gir celler multiplekset og fleksible gjenkjennings- og responssystemer. I tråd med dette er disse formbare maskinene ofte knutepunkter for essensielle cellulære prosesser, inkludert genregulering, celledeling, molekylær gjenkjenneling og cellesignalering. "I alle disse tilfellene trenger du noe følsomt for miljøet [som] trenger å vite når det skal slås på [og] når det skal slås av," sa Heller.
En annen ting som får respekt er selve feltet for IDP -forskningen. For bare et tiår siden ble det unngått som noe rart av biokjemikere av den gamle skolen. De foretrakk å jobbe med proteiner hvis folding kunne observeres med standardmetoder og forutsagt med Alphafold. Alex Holehouse, som forsker på IDP -er ved Washington University i St. Louis, føler seg tilfreds ved holdnings-endringen.
Selv om noen kan føle seg overveldet av alle de bevegelige delene (bokstavelig talt) med uordnede proteiner, omfavner Holehouse kaoset. "Det gjør det spennende ved at det er så mange ganske grunnleggende spørsmål som vi egentlig ikke har svar på - eller i det minste overbevisende svar på - ennå," sa han.

Membranløse organeller
Et av de mest fascinerende fagene jeg leste om og rapporterte i 2021 -lenke, involverte en Caltech-studie som beskrev det paradigmeskiftende konseptet med membranløse organeller. I våre studentdager hadde de eukaryote cellediagrammer vi lærte fra, alt organisert i avdelinger omgitt av lipidmembraner: kjernen, vakuolen, mitokondriet, lysosomet og de andre organellene vi memorerte for prøven. Utenfor disse rommene forestilte vi oss at materialet bare fløt rundt tilfeldig i udifferensiert cytoplasma eller, inne i kjernen, i nukleoplasma. Oppdagelsen av membranløse organeller endrer alt det. Gitt navn som flekker, dråper og kondensater, er dette ad hoc, raskt dannende og oppløselige grupperinger av molekyler som jeg sammenliknet med midlertidige arbeidsgrupper som samles innen gulvplassen til et stort kontor.

Tilbake til 2019 begynte MIT å se på dette "utrolig spennende" emnet "et annet lag av gruppering," nevnte jeg for fem år siden -lenke. Kondensatene ser ut til å dannes og spres på grunn av faseendringer i mediet, lik oljedråper som dannes i vann. Og som Caltech fant, å få den rette fasen til rett tid og sted og rekruttere de rette "ansatte" for møtene, ser ut til å være en jobb for ikke -kodende RNA -er - som tidligere var avskjediget som søppel.
Gjør deg klar for en annen spennende utvikling om disse kondensatene. Lyd fanfare! Duke University -lenke, finner nå bevis på at disse "undervurderte proteinklatter" skaper sitt eget elektrokjemiske miljø. Og dette påvirker på sin side ladningsfordelingen av hele cellen!

Bilde 4. Celle-membaraner skal fylle mange krav

"Nå, i en ny studie publisert 10. september i tidsskriftet Cell, har forskere fra Duke University og Washington University i St. Louis vist at dannelsen av biologiske kondensater påvirker cellulær aktivitet langt utenfor deres umiddelbare nærhet. Resultatene viser at de kan være en tidligere manglende mekanisme som celler modulerer sin interne elektrokjemi gjennom. Og de interne kontrollene påvirker på sin side den cellulære membranen, som gjør at disse upretensiøse klatterene kan påvirke globale egenskaper og utfall som resistens mot antibiotika."
Med andre ord kan kondensater utnytte faseendringene for å kontrollere sitt interne elektrostatiske miljø. Dette påvirker på sin side elektrostatiske forhold til hele cellen. I virkeligheten gir det et annet lag med intercellulær kommunikasjon. Du vil elske analogien deres:
"Forskningen vår viser at kondensater påvirker celler langt utover direkte fysisk kontakt, nesten som om de har en trådløs forbindelse til hvordan celler interagerer med miljøet," sa Lingchong You, James L. Meriam Distinguished Professor of Biomedical Engineering ved Duke."
Det er for tidlig å forstå dette fenomenet fullt ut, men mulighetene er virkelig forbløffende:

Bilde 5. Vann leder elektrisk strøm

"Dette er sannsynligvis bare toppen av isfjellet," la Ashutosh Chilkoti, Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering ved Duke. "Vi forventer at disse elektriske potensielle effektene uttrykker seg på en rekke måter gjennom cellulær atferd."

Fordi elektrisk ladning er avgjørende for mange biologiske prosesser, "gir evnen til å kontrollere det elektrokjemiske miljøet i membranløse organeller en mekanisme for disse upretensiøse boblene" for ikke bare å påvirke hele celleinteriøret, men å "direkte påvirke hvordan celler samhandler med verden rundt dem." Denne oppdagelsen traff en av forskerne som pulsen til et elektrisk støt:
"Selv et lite antall av disse kondensatene sentralt fordelt godt borte fra cellemembranen kan skape en kjedereaksjon som kan endre denne helhetlige egenskapen," forklarte Yifan Dai, en assisterende professor i biomedisinsk ingeniørvitenskap og medlem av Center for Biomolecular Condensates i Washington University i St. Louis, som gjennomførte forskningen som postdoktoralforsker ved Duke. “Denne artikkelen viser at det ikke er noen måte å unnslippe disse effektene. Så lenge disse bittesmå klattene dannes, påvirkes mange ting, til og med genregulering i helhetlig skala. Da jeg så det, var det ganske sjokkerende for meg."
Siden "Dette er bare begynnelsen på denne forsknings-linjen", indikerer artikkelen at vi kan forvente at mer blendende lys vil strømme gjennom døren de har åpnet.

Bilde 6. Mye skjult for det blotte øye

Sammendrag
Celler bor i et fiendtlig miljø av fysiske krefter som er uvitende om livets behov: brownsk bevegelse, løselighet, hydrofile og hydrofobe krefter, elektrisk ladning og osmotisk trykk som kommer fra en rekke abiotiske molekyler som prøver å komme inn eller ut. Kastet fritt midt i et kaos av krefter, vet celler hvordan de skal navigere seg i og rundt dette presset. Som seilere til sjøs, er de ikke prisgitt vinden. De kan heise seilene for å opprettholde kursen, til og med å sikk-sakk seile mot vinden for å fortsette fremover. Evnen til å utnytte kaotiske krefter for funksjon, som vi alle gjenkjenner som arbeidet til intelligent design. Faktisk er celler programmert ikke bare for å tåle kaoset, men for å omfavne det.

Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 7)
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Oversettelse, via google-oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund