Den elektriske cellen: Mer synergi med fysikk funnet i cellulær koding
David Coppedge; 6. september 2022
Oversatt herfra.

Nye bildeteknikker ned til pikometerskalaen tillater oppdagelse av tidligere ukjente allianser av mobilprogramvare med elektrostatikk og mekanikk. Slik kunnskap var uoppnåelig før biofysikere fikk evnen til å måle fenomener på atomnivå. Det de finner multipliserer informasjonsinnholdet som er innebygd i livets molekyler.

Bilde 1. Elektrisk aktivitet i celler

Tidlige skildringer av molekyler i kjernen viste at de drev rundt uten mål. Hvordan kunne molekyler ellers klare seg uten membraner for å holde dem sammen? Organeller er definert av deres lipidmembraner. Det forenklede bildet av molekyler i lipidbur, som dyr i en dyrehage, reiste spørsmål om hvordan enzymer lokaliserer substratene sine, i områder som i deres skala ville være fjerne. I desember i fjor rapporterte vi funn ved Caltech -lenke, som avslørte mindre organisasjonsnivåer i spill: kjernefysiske flekker, transkripsjonelle kondensater og andre "membranløse organeller" koordinert av ikke-kodende RNA. Disse tidligere "søppel" delene av genomet viste seg å spille nøkkelroller i utformingen av "kontoroppsettet" til cellefabrikken. Noen ncRNA-er rekrutterer faktisk partnere som trenger å tilknytte seg, lik ledere som kaller inn til et møte.

Bildde 2. Utveksling gjennom porter i cellemembran-via ladede ioner

Den elektriske cellen
Nye funn rapportert i PNAS av Toyama et al. -lenke, avdekker en rolle for elektrostatikk i enzymatisk aktivitet. Samtidig kan oppdagelsen gi innsikt i funksjonen til såkalte «uordnede proteiner» som aldri foldes til stabile strukturer, og andre proteiner som inneholder uordnede områder, som ser ut til å blafre rundt som løse kabler. Men det er orden i uorden! Hvor stor er denne oppdagelsen?
-Elektrostatiske interaksjoner spiller viktige roller i å regulere en mengde forskjellige biokjemiske prosesser og for å gi stabilitet til biomolekyler og deres komplekser
Det teamet fra University of Toronto fant, diskutert nedenfor, ble bare muliggjort av "løsnings-NMR-spektroskopi." Denne teknikken lar dem for første gang måle de elektrostatiske potensialene nær overflaten til individuelle atomer i proteiner, og følge endringer i disse potensialene under et enzyms handling.

-Resultatene våre viser samlet at en subtil balanse mellom elektrostatisk frastøting og interkjede-attraktive interaksjoner regulerer CAPRIN1-faseseparasjon og gir innsikt i hvordan nukleotider, slik som ATP, kan indusere dannelse av og deretter oppløse proteinkondensat.

CAPRIN1 (cellesyklusassosiert protein 1) er et RNA-bindende protein "lokalisert til membranløse organeller som spiller en viktig rolle i lagring og translasjon av messenger RNA (mRNA). Det kan fungere som en negativ regulator av translasjon, og begrense mRNA i kondensat til tider for å forhindre overproduksjon av proteiner. "CAPRIN1 finnes i membranløse organeller, slik som stressgranuler, P-legemer og messenger RNA (mRNA) transportgranuler, der den, sammen med en rekke andre RNA-bindende proteiner, spiller en viktig rolle i å regulere RNA-prosessering," forklarer artikkelen. Hos mennesker ser dette enzymet ut til å være assosiert med langtidshukommelse gjennom regulering av dendritisk ryggradstetthet. I så fall er minnene våre ikke bare avhengige av kjemi, men også av elektrostatikk.

CAPRIN1 inneholder IDP-haler i begge ender som, viser det seg, er nøkkelen til kondensatdannelse. Toronto-teamet fant, viktigere, at ATP spiller en dynamisk rolle i de elektrostatiske endringene av CAPRIN1, spesielt i IDP-regionene. Kort fortalt, her er hva som skjer (se figur 5 i artikkelen). Spesifikke aminosyrerester i IDP-regionene gir dem en netto positiv ladning. Dette gjør at halene frastøter hverandre, motstår kondensatdannelse (og forhindrer selvassosiasjon av halene). Når ATP fester seg til IDP-regionene, reduseres imidlertid nettoladningen, noe som tillater intermolekylære interaksjoner. Ettersom mer ATP tilføres, blir samlingen nøytral, og det dannes kondensat. Ekstra ATP inverterer det elektriske potensialet, noe som gjør det negativt. Elektrostatisk frastøtning oppstår igjen, noe som forårsaker oppbrytning av kondensatet, skiller innholdet og frigjør det til neste runde. Dette innebærer at kondensatdannelse har et elektrisk aspekt ved seg. Siden det er avhengig av sekvensen og posisjonen til spesifikke aminosyrerester, kan man til og med kalle det en elektrisk kode.

Bilde 3. Eks. på intern og ekstern signallering i celler

-Vår interesse for disse eksperimentene ligger i applikasjoner til iboende forstyrrede proteiner (IDPs) og til iboende forstyrrede regioners (IDRs) av proteiner, samlet referert til som IDPer i det følgende. Det anslås at ~30 % av restene i humane proteiner koder for lidelsesregioner, som omfatter minst 30 aminosyrer, med mange av disse proteinene som spiller kritiske roller i cellulær funksjon, inkludert modulering av dannelsen av membranløse biomolekylære kondensater som organiserer proteiner og/eller nukleinsyrer, sammen med en rekke små molekyler for å regulere biokjemiske prosesser i cellen. Minst 75 % av IDP-er inneholder både positivt og negativt ladede rester, med ladning-ladningsinteraksjoner som er viktige for å definere deres fysiske og kjemiske egenskaper og, i noen tilfeller, deres tilbøyelighet til å faseseparere.
Informasjonen i sekvensen av aminosyrer, og av kodonene i genene som koder for dem, ser ut til å spille kritiske roller i kondensatdannelse og samtidig i enzymatisk oppførsel. Noen aminosyrer de kaller "klistremerker" fremmer faseseparasjon. De spesifikke elektrostatiske attraksjonene og frastøtningene som gir opphav til enzymets funksjon under kondensatdannelse og oppløsning er avhengig av plasseringen av disse klistremerkene.

Denne bemerkelsesverdige åpenbaringen begynner å gi innsikt i deltakelsen av cellekoding med elektrofysikk. Få en 'ladning' ut av det!
-CAPRIN1 sameksisterer med negativt ladede RNA-molekyler i celler og er, sammen med FMRP og andre proteiner, involvert i reguleringen av RNA-prosessering og translasjonsaktivitet. Dermed spiller elektrostatikk en sentral rolle i å modulere de biologiske funksjonene til dette proteinet, og måling av elektrostatiske potensialer på hvert sted langs ryggraden, som rapportert her, gir en mulighet til å forstå mer detaljert den viktige rollen til ladning i dette systemet.
Oppgaven undersøkte bare ett enzym, så forsiktighet anbefales før generalisering. Forfatterne føler imidlertid at denne elektriske kodemodellen vil bidra til å forklare mange andre prosesser som krever at molekyler kommer sammen, utfører arbeidet sitt og deretter skilles. Det er den nye elektriske cellen.
-Fremtidige anvendelser av disse metodene vil bane vei for å kartlegge rollen til elektrostatikk i faseseparasjon i en mer generell forstand, inkludert effekten av sekvens, ladningsmønster, posttranslasjonelle modifikasjoner og tilstedeværelsen av nukleinsyrer.

Bilde 4. Emne i fokus: Celle-signallering

Kodet mekanikk også
Et annet tilfelle av fysikk i cellulær prosessering ble avdekket av et team fra University of Washington som også publiserte arbeidet sitt i PNAS. Og nok en gang var det ny kreativ avbildning på atomskala som gjorde oppdagelsen mulig.
Dette teamet jobbet på et helikaseenzym kalt PcrA, som avvikler DNA for transkripsjon. Dette enzymet fungerer så raskt (1000 baser per sekund!) at det har vært som å prøve å beskrive uskarpheten til en racerbil som kjører fort nedover en bane. Ved å bruke en ny teknikk kalt "single-molecule picometer-resolution nanopore pincet" (SPRNT), var de i stand til å bremse handlingen og se racerbilen bevege seg med sin "inchworm-mekanisme" en base om gangen. Dette blander kjemi med en annen gren av fysikk, mekanikk: "mekanokjemi."
-Vi registrerte mer enn to millioner enzymtrinn under forskjellige hjelpe- og motstridende krefter i forskjellige adenosintri- og difosfatforhold for å undersøke mekanokjemien til PcrA-bevegelse på en omfattende måte. ... Dataene våre viser at den underliggende DNA-sekvensen som passerer gjennom helikasen sterkt påvirker kinetikken under translokasjon. og avslapning. Overraskende nok er avviklingskinetikk ikke utelukkende dominert av at baseparene blir avviklet. I stedet bestemmer sekvensen til det enkelttrådede DNA som, PcrA går på, mye av kinetikken for avvikling.

Bilde 5. Cellefabrikken -finoppløselig bilde

Forfatterne er ikke klar over hvorfor dette er slik. Hva går evolusjonen til? De mener at det må være en grunn.
-I motsetning til proteinfilamenter (f.eks. aktin), er ikke DNA et homogent spor; sekvensavhengig atferd kan være normen snarere enn unntaket. Sterk sekvensavhengig enzymkinetikk, slik som de som er observert i våre data, påvirker sannsynligvis PcrAs rolle in vivo og kan derved utøve selektivt press på både DNA- og proteinutvikling. Derfor bør sekvensavhengig atferd vurderes nøye i fremtidige studier av ethvert enzym som går langs DNA eller RNA, siden den sekvensavhengige kinetikken kan avsløre viktige trekk ved et enzyms funksjon. Slike effekter brukes nesten helt sikkert av livet for å oppnå ulike mål, og SPRNT er godt egnet til å oppdage hvordan og hvorfor slik sekvensavhengighet oppstår, og åpner muligheten for å avdekke enzymfunksjoner som hittil var ukjente.

Hvorfor gir de æren til blind evolusjon? Hvis livet bruker "sekvensavhengig kinetikk ... for å oppnå forskjellige mål," høres det ut som intelligent design, ikke evolusjon. Designforkjempere er vant til å tilgi logiske feilforslag som dette. De ser forbi den magiske tenkningen og ser virksomheten til et designende sinn, med fremsyn og hensikt, inngående kjent med fysikkens lover, i stand til å skrive kode for å bruke disse lovene i presisjonsoperasjoner. Nå blir det klart at presisjonen går dypere enn tidligere kjent.