Эти электрические сигналы возможны, отчасти, из-за дисбаланса электрических зарядов, который существует по обе стороны клеточной мембраны. До недавнего времени исследователи полагали, что мембрана является важным компонентом, создающим этот дисбаланс. Но эта мысль перевернулась с ног на голову, когда исследователи из Стэнфордского университета обнаружили, что подобные несбалансированные электрические заряды могут существовать между микрокаплями воды и воздуха.

Теперь исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что эти типы электрических полей также существуют внутри и вокруг другого типа клеточных структур, называемых биологическими конденсатами. Подобно каплям масла, плавающим в воде, эти структуры существуют из-за различий в плотности. Они образуют компартменты внутри клетки, не нуждаясь в физической границе в виде мембраны.

Вдохновленные предыдущими исследованиями, демонстрирующими, что микрокапли воды, взаимодействующие с воздухом или твердыми поверхностями, создают крошечный электрический дисбаланс, исследователи решили посмотреть, верно ли то же самое для небольших биологических конденсатов. Они также хотели посмотреть, вызывают ли эти дисбалансы активные кислородные, "окислительно-восстановительные" реакции, подобные этим другим системам.

Опубликовано 28 апреля в журнале Хим. их основополагающее открытие может изменить представление исследователей о биологической химии. Это также могло бы дать ключ к пониманию того, как первая жизнь на Земле использовала энергию, необходимую для возникновения.

"В пребиотической среде без ферментов, катализирующих реакции, откуда бы бралась энергия?" - спросил Ифань Дай, аспирант Duke, работающий в лаборатории Ашутоша Чилкоти, заслуженного профессора биомедицинской инженерии имени Алана Л. Каганова, и Линчонга Ю, заслуженного профессора биомедицинской инженерии имени Джеймса Л. Мериама.

"Это открытие дает правдоподобное объяснение того, откуда могла взяться энергия реакции, точно так же, как потенциальная энергия, которая передается точечному заряду, помещенному в электрическое поле", - сказал Дай.

Когда электрические заряды скачут между одним материалом и другим, они могут образовывать молекулярные фрагменты, которые могут соединяться и образовывать гидроксильные радикалы, имеющие химическую формулу OH. Затем они могут снова соединяться, образуя перекись водорода (H2O2) в крошечных, но обнаруживаемых количествах.

"Но интерфейсы редко изучались в биологических режимах, отличных от клеточной мембраны, которая является одной из наиболее важных частей биологии", - сказал Дай. "Итак, нам было интересно, что может происходить на границе раздела биологических конденсатов, то есть, если это тоже асимметричная система".

Клетки могут создавать биологические конденсаты, которые либо разделяют, либо удерживают вместе определенные белки и молекулы, либо препятствуя, либо стимулируя их активность. Исследователи только начинают понимать, как работают конденсаты и для чего их можно было бы использовать.

Поскольку лаборатория Чилкоти специализируется на создании синтетических версий природных биологических конденсатов, исследователям было легко создать испытательный стенд для своей теории. После объединения правильной формулы строительных блоков для создания мельчайших конденсатов, с помощью постдокторанта Марко Мессины из группы Кристофера Дж. Чанга в Калифорнийском университете в Беркли, они добавили в систему краситель, который светится в присутствии активных форм кислорода.

Их догадка оказалась верной. Когда условия окружающей среды были подходящими, по краям конденсатов начиналось плотное свечение, подтверждающее, что имело место ранее неизвестное явление. Затем Дай поговорил с Ричардом Заром, профессором химии Маргарет Блейк Уилбур в Стэнфорде, чья группа установила электрическое поведение капель воды. Заре была взволнована, услышав о новом поведении биологических систем, и начала работать с группой над лежащим в их основе механизмом.

"Вдохновленные предыдущей работой над каплями воды, мой аспирант Кристиан Чемберлейн и я подумали, что те же физические принципы могли бы применяться и способствовать окислительно-восстановительной химии, такой как образование молекул перекиси водорода", - сказал Заре. "Эти результаты показывают, почему конденсаты так важны для функционирования клеток".

"Большая часть предыдущих работ по биомолекулярным конденсатам была сосредоточена на их внутренностях", - сказал Чилкоти. "Открытие Ифаня о том, что биомолекулярные конденсаты, по-видимому, универсально окислительно-восстановительно активны, предполагает, что конденсаты не просто эволюционировали для выполнения определенных биологических функций, как принято считать, но что они также наделены критической химической функцией, которая необходима клеткам".

Хотя биологические последствия этой продолжающейся реакции в наших клетках неизвестны, Дай указывает на пребиотический пример того, насколько мощным может быть его воздействие. Энергетические центры наших клеток, называемые митохондриями, создают энергию для всех жизненных функций посредством одного и того же основного химического процесса. Но до того, как появились митохондрии или даже простейшие клетки, что-то должно было обеспечивать энергией самые первые жизненные функции, чтобы они начали работать.

Исследователи предположили, что энергия поступала от термальных источников в океанах или горячих источниках. Другие предположили, что та же окислительно-восстановительная реакция, которая происходит в микрокаплях воды, была вызвана брызгами океанских волн.

Но почему бы вместо этого не использовать конденсаты?

"Волшебство может произойти, когда вещества становятся крошечными, а межфазный объем становится огромным по сравнению с его объемом", - сказал Дай. "Я думаю, что последствия важны для многих различных областей".

Эта работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС (FA9550-20-1-0241 , FA9550-21-1-0170 ) и Национальными институтами здравоохранения (MIRA R35GM127042; R01EB029466, R01 GM 79465, R01 GM 139245, R01 ES 28096).