Η ηλεκτρική δραστηριότητα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα μέσα στα κύτταρα θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που οι ερευνητές σκέφτονται για τη βιολογική χημεία.

Το ανθρώπινο σώμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από ηλεκτρικά φορτία. Παλμοί ενέργειας που μοιάζουν με κεραυνούς πετούν μέσω του εγκεφάλου και των νεύρων και οι περισσότερες βιολογικές διεργασίες εξαρτώνται από τα ηλεκτρικά ιόντα που ταξιδεύουν στις μεμβράνες κάθε κυττάρου στο σώμα μας.

Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα είναι πιθανά, εν μέρει, λόγω μιας ανισορροπίας στα ηλεκτρικά φορτία που υπάρχει και στις δύο πλευρές της κυτταρικής μεμβράνης. Μέχρι πρόσφατα, οι ερευνητές πίστευαν ότι η μεμβράνη ήταν ένα ουσιαστικό συστατικό για τη δημιουργία αυτής της ανισορροπίας. Αλλά αυτή η σκέψη ανατράπηκε όταν οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ ανακάλυψαν ότι παρόμοια μη ισορροπημένα ηλεκτρικά φορτία μπορεί να υπάρχουν μεταξύ των σταγονιδίων νερού και αέρα.

Τώρα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Duke ανακάλυψαν ότι αυτοί οι τύποι ηλεκτρικών πεδίων υπάρχουν επίσης μέσα και γύρω από έναν άλλο τύπο κυτταρικής δομής που ονομάζεται βιολογικά συμπυκνώματα. Όπως τα σταγονίδια λαδιού που επιπλέουν στο νερό, αυτές οι δομές υπάρχουν λόγω διαφορών στην πυκνότητα. Σχηματίζουν διαμερίσματα μέσα στο κύτταρο χωρίς να χρειάζεται το φυσικό όριο μιας μεμβράνης.

Εμπνευσμένοι από προηγούμενες έρευνες που έδειξαν ότι τα σταγονίδια νερού που αλληλεπιδρούν με τον αέρα ή τις στερεές επιφάνειες δημιουργούν μικρές ηλεκτρικές ανισορροπίες, οι ερευνητές αποφάσισαν να δουν αν το ίδιο ισχύει για μικρά βιολογικά συμπυκνώματα. Ήθελαν επίσης να δουν αν αυτές οι ανισορροπίες προκαλούσαν αντιδραστικό οξυγόνο, «οξειδοαναγωγή», αντιδράσεις όπως αυτά τα άλλα συστήματα.

Εμφανίστηκε στις 28 Απριλίου στην εφημερίδα χημεία, η θεμελιώδης ανακάλυψή τους θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που οι ερευνητές σκέφτονται για τη βιολογική χημεία. Θα μπορούσε επίσης να δώσει μια ένδειξη για το πώς η πρώτη ζωή στη Γη αξιοποίησε την ενέργεια που χρειαζόταν για να αναδυθεί.

«Σε ένα πρεβιοτικό περιβάλλον χωρίς ένζυμα που να καταλύουν αντιδράσεις, από πού θα προερχόταν η ενέργεια;» ρώτησε ο Yifan Dai, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής Duke που εργάζεται στο εργαστήριο του Ashutosh Chilkoti, ο διακεκριμένος καθηγητής Βιοϊατρικής Μηχανικής Alan L. Kaganov και ο Lingchong You, ο διακεκριμένος καθηγητής Βιοϊατρικής Μηχανικής James L. Meriam.

«Αυτή η ανακάλυψη παρέχει μια εύλογη εξήγηση για το από πού θα μπορούσε να προέρχεται η ενέργεια της αντίδρασης, όπως ακριβώς η δυναμική ενέργεια που μεταδίδεται σε ένα σημειακό φορτίο τοποθετημένο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο», είπε ο Dai.

Όταν τα ηλεκτρικά φορτία μεταπηδούν από το ένα υλικό στο άλλο, μπορούν να παράγουν μοριακά θραύσματα που μπορούν να ζευγαρώσουν και να σχηματίσουν ρίζες υδροξυλίου, οι οποίες έχουν τον χημικό τύπο ΟΗ. Αυτά μπορούν να ζευγαρώσουν ξανά για να σχηματίσουν υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) σε μικρές αλλά ανιχνεύσιμες ποσότητες.

«Αλλά οι διεπαφές σπάνια έχουν μελετηθεί σε βιολογικά καθεστώτα εκτός από την κυτταρική μεμβράνη, η οποία είναι ένα από τα πιο βασικά μέρη της βιολογίας», είπε ο Dai. «Αναρωτιόμασταν λοιπόν τι μπορεί να συμβαίνει στη διεπιφάνεια των βιολογικών συμπυκνωμάτων, δηλαδή μήπως είναι και ένα ασύμμετρο σύστημα».

Τα κύτταρα μπορούν να δημιουργήσουν βιολογικά συμπυκνώματα για να διαχωρίσουν ή να παγιδεύσουν ορισμένες πρωτεΐνες και μόρια, είτε παρεμποδίζοντας είτε προάγοντας τη δραστηριότητά τους. Οι ερευνητές μόλις αρχίζουν να κατανοούν πώς λειτουργούν τα συμπυκνώματα και σε τι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν.

Επειδή το εργαστήριο Chilkoti ειδικεύεται στη δημιουργία συνθετικών εκδόσεων φυσικών βιολογικών συμπυκνωμάτων, οι ερευνητές μπόρεσαν εύκολα να δημιουργήσουν ένα κρεβάτι δοκιμής για τη θεωρία τους. Αφού συνδύασε τη σωστή φόρμουλα των δομικών στοιχείων για τη δημιουργία μικροσκοπικών συμπυκνωμάτων, με τη βοήθεια του μεταδιδακτορικού μελετητή Marco Messina στο? Η ομάδα του Christopher J. Chang στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια-Berkeley πρόσθεσε μια χρωστική ουσία στο σύστημα που λάμπει παρουσία ενεργών ειδών οξυγόνου.

Η προαίσθησή του ήταν σωστή. Όταν οι συνθήκες περιβάλλοντος ήταν κατάλληλες, άρχισε μια σταθερή λάμψη από τις άκρες των συμπυκνωμάτων, επιβεβαιώνοντας ότι ένα μέχρι τώρα άγνωστο φαινόμενο λειτουργούσε. Στη συνέχεια, ο Dai μίλησε με τον Richard Zare, τον Marguerite Blake Wilbur Καθηγητή Χημείας στο Στάνφορντ, η ομάδα του οποίου καθόρισε την ηλεκτρική συμπεριφορά των σταγονιδίων νερού. Ο Zare ήταν ενθουσιασμένος που άκουσε για τη νέα συμπεριφορά στα βιολογικά συστήματα και άρχισε να εργάζεται με την ομάδα για τον υποκείμενο μηχανισμό.

«Εμπνευσμένοι από προηγούμενες εργασίες για τα σταγονίδια νερού, ο μεταπτυχιακός φοιτητής μου, Christian Chamberlayne, και εγώ σκεφτήκαμε ότι οι ίδιες φυσικές αρχές θα μπορούσαν να εφαρμοστούν και να προωθήσουν τη χημεία οξειδοαναγωγής, όπως ο σχηματισμός μορίων υπεροξειδίου του υδρογόνου», είπε ο Zare. «Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν γιατί τα συμπυκνώματα είναι τόσο σημαντικά στη λειτουργία των κυττάρων».

«Το μεγαλύτερο μέρος της προηγούμενης εργασίας για τα βιομοριακά συμπυκνώματα έχει επικεντρωθεί στα έντερά τους», είπε ο Chilkoti. «Η ανακάλυψη του Yifan ότι τα βιομοριακά συμπυκνώματα φαίνεται να είναι καθολικά οξειδοαναγωγικά δραστικά υποδηλώνει ότι τα συμπυκνώματα δεν εξελίχθηκαν απλώς για να εκτελούν συγκεκριμένες βιολογικές λειτουργίες όπως είναι κοινώς κατανοητό, αλλά είναι επίσης προικισμένα με μια κρίσιμη χημική λειτουργία που είναι απαραίτητη για τα κύτταρα.

Ενώ οι βιολογικές επιπτώσεις αυτής της συνεχιζόμενης αντίδρασης μέσα στα κύτταρά μας είναι άγνωστες, ο Dai επισημαίνει ένα πρεβιοτικό παράδειγμα του πόσο ισχυρά θα μπορούσαν να είναι τα αποτελέσματά του. Οι μονάδες παραγωγής ενέργειας των κυττάρων μας, που ονομάζονται μιτοχόνδρια, δημιουργούν ενέργεια για όλες τις λειτουργίες της ζωής μας μέσω της ίδιας βασικής χημικής διαδικασίας. Αλλά πριν υπάρξουν μιτοχόνδρια ή ακόμα και τα πιο απλά κύτταρα, κάτι έπρεπε να παρέχει ενέργεια για να αρχίσει να λειτουργεί η πρώτη από τις λειτουργίες της ζωής.

Οι ερευνητές έχουν προτείνει ότι η ισχύς παρεχόταν από θερμικές οπές στους ωκεανούς, ή θερμές πηγές. Άλλοι έχουν προτείνει ότι αυτή η ίδια αντίδραση οξειδοαναγωγής που εμφανίζεται στα σταγονίδια νερού δημιουργήθηκε από ψεκασμό από κύματα του ωκεανού.

Αλλά γιατί να μην συμπυκνωθεί αντ ‘αυτού;

«Η μαγεία μπορεί να συμβεί όταν οι ουσίες γίνονται μικροσκοπικές και ο όγκος της επιφάνειας γίνεται τεράστιος σε σύγκριση με τον όγκο τους», είπε ο Dai. «Νομίζω ότι οι επιπτώσεις είναι σημαντικές για πολλούς διαφορετικούς τομείς».