Откриха нов вид електрическа активност в нашите клетки, която разкрива произхода на живота

Нашите клетки са специализирани в провеждането на електрическия ток. Това е така, защото електричеството е необходимо на нервната система за прехвърлянето на импулсите между тялото и мозъка, което ни дава възможност да се движим, мислим и чувстваме. Наскоро учени откриха нова електрическа активност в клетките. Това може да промени представата на учените за биологичната химия и дори да ни помогне да разберем произхода на живота на Земята.

Човешкото тяло, както и тялото на всеки друг жив организъм, се задвижва от електрическата активност, която дава възможност за движение, мислене и усещане. Подобни на светкавици енергийни импулси преминават през мозъка и нервите, а повечето биологични процеси зависят от електрическите йони (като натрий, калий, калций и магнезий), преминаващи през мембраните на всяка клетка в нашето тяло.

Всъщност съдържанието на клетката е защитено от външната среда чрез мембрана, съставена от липиди, която създава бариера, през която могат да преминат само определени вещества или молекули. Тя служи и като средство за генериране на електрически ток в клетката.

Клетките в състояние на покой са отрицателно заредени отвътре, докато външната среда е „по-скоро“ положително заредена. Това се дължи на лекия дисбаланс между положителните и отрицателните йони в клетката и извън нея. Клетките могат да постигнат това разделение на зарядите, като позволяват на заредените йони да влизат и излизат през мембраната. Потокът от заряди през клетъчната мембрана създава електрическите токове.

Ето защо мембраната се явява важен елемент за създаване на дисбаланс на заряда. Но през 2019 г. изследователи от Станфордския университет откриха, че подобни небалансирани електрически заряди могат да съществуват между микрокапки вода и въздух без наличието на мембрана.

Изследователи от университета Дюк наскоро откриха, че подобни електрически полета съществуват в и около друг вид клетъчна структура, наречена биологичен кондензат. Подобно на капките масло, плаващи във вода, тези структури съществуват поради разликите в плътността. Те образуват отделения в клетката, без да се нуждаят от физическа граница под формата на мембрана. Новото изследване е публикувано в списание Chem.

За създаването на електричество не е необходима мембрана

Клетките могат да създават биологични кондензати, за да разделят или задържат определени протеини и молекули заедно, като потискат или насърчават тяхната активност. Изследователите тепърва започват да разбират как работят кондензатите и за какво могат да се използват.

Проучване, публикувано в списание Nature, ги определя като отделения с размер на микрони в еукариотните клетки, които нямат заобикалящи ги мембрани, но служат за концентриране на протеини и нуклеинови киселини. Тези кондензати участват в различни процеси, включително в метаболизма на РНК, биогенезата на рибозомите, отговора на увреждане на ДНК и трансдукцията на сигналите.

Вдъхновени от предишни изследвания, показващи, че микрокапчици вода, взаимодействащи с въздуха или твърди повърхности, създават малки електрически дисбаланси, учените решават да проверят дали същото важи и за малките биологични кондензати и дали тези дисбаланси предизвикват реактивни кислородни реакции, известни като „окислително-редукционни реакции“, както е при другите системи.

Наистина, когато между два материала се разменят електрически заряди (електрони), могат да се образуват молекулни фрагменти, които могат да се комбинират по двойки и да образуват хидроксилни радикали – химическата формула OH. След това те могат да се съединят отново втв вид на изпарения и да образуват водороден пероксид (H₂O₂) в малки, но различими количества. Известен също като водороден пероксид във воден разтвор, той играе ключова роля в химичния състав на водата и озона в атмосферата.

Ифан Дай, докторант в университета „Дюк“ и съавтор на изследването, обяснява: „Но процесите на взаимодействие рядко са изследвани в други биологични режими, освен в клетъчната мембрана, която е една от най-важните части на биологията. Затова се запитахме какво може да се случва на границата на биологичните кондензати, т.е. дали това също е асиметрична система“.

Лабораторията на професор Чилкоти в Дюк е специализирана в създаването на синтетични версии на естествените биологични кондензати, което дава възможност на авторите лесно да ги разработят, за да проверят теорията си, като добавят багрило, което свети в присъствието на вещества, реагиращи с кислорода, което е индикатор за „окислително-възстановителни“ реакции.

След това авторите на тази научна работа откриват, че при подходящи условия на околната среда от краищата на кондензатите започва да излиза сияние, което потвърждава наличието на неподозирано досега електрическо явление. Ашутош Чилкоти казва:

„Това откритие предполага, че кондензатите не просто са еволюирали, за да изпълняват биологични функции, но също така изпълняват важна химическа функция, която е от съществено значение за клетките.

Кондензатите, необходими за възникването на живота на Земята

Въпреки че биологичните последствия от тази непрекъсната реакция в клетките ни са неизвестни, Дай дава пребиотичен пример за нейната сила: електроцентралите на нашите клетки, наречени митохондрии, създават енергия за всички жизнени функции, използвайки същия основен химичен процес. Но преди да се появят митохондриите или дори обикновените клетки, нещо е трябвало да осигури енергия за най-първите жизнени функции...

Той обяснява, че в една пребиотична среда без ензими, които да катализират реакциите, откриването на електрическите полета в биологичните кондензати може да се окаже ключът към произхода на живота като източник на енергия.