隱藏在我們細胞中的微小“器官”可能會挑戰生命的起源

回想一下你在高中時上過的那門基礎生物課。您可能了解了細胞，細胞內的那些小“器官”，形成具有各自功能的隔室。

例如，線粒體產生能量，溶酶體回收廢物，細胞核儲存 DNA。盡管每個細胞器的功能不同，但它們的相似之處在于每個細胞器都包裹在一層膜中。

膜結合細胞器是科學家認為細胞如何組織的教科書標準直到他們在 2000 年代中期意識到一些細胞器不需要包裹在膜中。

從那時起，研究人員發現了許多其他無膜細胞器，這些細胞器顯著改變了生物學家對化學和生命起源的看法。

我被介紹給無膜細胞器，正式名稱為生物分子凝聚物，幾年前，當學生在我的實驗室里在細胞核中觀察到一些不尋常的斑點。

我不知道的是，我們實際上已經研究生物分子凝聚態多年了。我最終在這些斑點中看到的東西讓我看到了細胞生物學的一個全新世界。

像一盞熔巖燈

要了解生物分子凝聚物是什么樣子，可以想象一盞熔巖燈，里面的蠟塊融合在一起，破裂并再次融合。凝聚以大致相同的方式形成，盡管它們不是由蠟制成的。相反，細胞中的蛋白質和遺傳物質簇，特別是 RNA 分子，會凝結成凝膠狀液滴。

一些蛋白質和 RNA 之所以這樣做，是因為它們優先相互相互作用，而不是與周圍環境相互作用，這非常類似于熔巖燈中的蠟滴相互混合，而不是與周圍液體混合。這些冷凝物創造了一個新的微環境，吸引了額外的蛋白質和 RNA 分子，從而在細胞內形成一個獨特的生化隔室。

截至 2022 年，研究人員發現大約30 種無膜生物分子縮合物.相比之下，大約有十幾種已知的傳統膜結合細胞器。

雖然一旦你知道自己在尋找什么就很容易識別，但很難弄清楚生物分子凝聚物到底有什么作用。有些具有明確定義的角色，例如形成生殖細胞,應力顆粒和蛋白質制造核糖體.但是，許多其他應用程序沒有明確的功能。

非膜結合的細胞器可能比膜結合的細胞器具有更多和多樣化的功能。了解這些未知的功能正在影響科學家對細胞工作原理的基本理解。

蛋白質結構和功能

生物分子凝聚物正在打破一些關于蛋白質化學的長期信念。

自從科學家們第一次仔細觀察蛋白質肌紅蛋白的結構在 1950 年代，很明顯，它的結構對于它在肌肉中穿梭氧氣的能力很重要。從那時起，生物化學家的口頭禪一直是蛋白質結構等于蛋白質功能。基本上，蛋白質具有一定的形狀，使它們能夠執行其工作。

形成生物分子凝聚物的蛋白質至少部分打破了這一規則，因為它們包含無序區域，這意味著它們沒有明確的形狀。當研究人員發現這些所謂的固有無序蛋白 （IDP），在 1980 年代初期，他們最初對這些蛋白質如何缺乏強大的結構但仍執行特定功能感到困惑。

后來，他們發現IDP 往往會形成冷凝物.正如科學中經常出現的情況一樣，這一發現解開了關于這些非結構化流氓蛋白質在細胞中所扮演角色的一個謎團，卻又引發了另一個更深層次的問題，即生物分子凝聚物到底是什么。

細菌細胞

研究人員還檢測到原核生物中的生物分子凝聚物或細菌細胞，傳統上被定義為不含細胞器。這一發現可能會對科學家如何理解原核細胞的生物學產生深遠影響。

只有大約6% 的細菌蛋白具有缺乏結構的無序區域，而真核或非細菌蛋白質的 30% 至 40% 則為零。但科學家們在原核細胞中發現了幾種涉及多種細胞功能的生物分子凝聚物，包括 making 和分解 RNA.

細菌細胞中存在生物分子凝聚物意味著這些微生物不是簡單的蛋白質和核酸袋，而是實際上比以前認識到的要復雜得多。

生命的起源

生物分子凝聚物也正在改變科學家對地球生命起源的看法。

有充分的證據表明，核苷酸，即 RNA 和 DNA 的組成部分，可以非常合理地由常見的化學物質（如氰化氫和水）在常見的能源（如紫外線或高溫）存在下，在普遍常見的礦物（如二氧化硅和鐵粘土.

還有證據表明，單個核苷酸可以自發地組裝成鏈來制造 RNA。這是RNA 世界假說，該研究假設地球上的第一個“生命形式”是 RNA 鏈。

一個主要問題是這些 RNA 分子是如何進化出自我復制并組織成原細胞的機制的。因為所有已知的生命都被包裹在膜中，所以研究生命起源的研究人員大多假設膜也需要封裝這些 RNA。

這將需要合成構成膜的脂質或脂肪。然而，制造脂質所需的材料可能在早期地球上不存在。

隨著RNA 可以自發形成生物分子凝聚物，不需要脂質來形成原生細胞。如果 RNA 能夠自行聚集成生物分子凝聚物，那么活分子產生于地球上無生命化學物質的可能性就更大了。

新療法

對于我和其他研究生物分子凝聚態的科學家來說，夢想這些打破規則的實體將如何改變我們對生物學運作方式的看法是令人興奮的。凝析油已經改變我們的方式想想人類疾病喜歡阿爾茨海默病、亨廷頓和盧·賈里克的。

為此，研究人員正在開發幾種新方法處理用于醫療目的的冷凝物比如可以促進或溶解凝聚物的新藥。這種治療疾病的新方法是否會結出果實還有待確定。

從長遠來看，如果每個生物分子凝聚物最終都被分配了特定的功能，我不會感到驚訝。如果發生這種情況，您可以打賭，高中生物學生在他們的入門生物學課程中將有更多的東西要學習或抱怨。

艾倫·阿爾比格， 生物科學副教授，博伊西州立大學

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