يمكن للنشاط الكهربائي المكتشف حديثًا في الخلايا أن يغير الطريقة التي يفكر بها الباحثون في الكيمياء البيولوجية

يعتمد جسم الإنسان بشكل كبير على الشحنات الكهربائية. تمر نبضات الطاقة الشبيهة بالبرق عبر الدماغ والأعصاب وتعتمد معظم العمليات البيولوجية على مرور الأيونات الكهربائية عبر أغشية كل خلية في الجسم.

هذه الإشارات الكهربائية ممكنة ، جزئيًا ، بسبب عدم توازن الشحنات الكهربائية الموجودة على جانبي غشاء الخلية. حتى وقت قريب ، اعتقد الباحثون أن الغشاء كان عنصرًا أساسيًا في خلق هذا الخلل. لكن هذا الفكر انقلب رأسًا على عقب عندما وجد باحثون في جامعة ستانفورد أن شحنات كهربائية غير متوازنة مماثلة يمكن أن توجد بين قطرات الماء والهواء.

الآن ، اكتشف الباحثون في جامعة ديوك أن هذه الأنواع من المجالات الكهربائية توجد أيضًا داخل وحول نوع آخر من الهياكل الخلوية يسمى المكثفات البيولوجية. مثل قطرات الزيت العائمة في الماء ، توجد هذه الهياكل بسبب اختلافات الكثافة. يشكلون مقصورات داخل الخلية دون الحاجة إلى الحدود المادية للغشاء.

مستوحاة من الأبحاث السابقة التي تظهر أن قطرات الماء الدقيقة التي تتفاعل مع الهواء أو الأسطح الصلبة تخلق اختلالات كهربائية صغيرة ، قرر الباحثون معرفة ما إذا كان الأمر نفسه ينطبق على المكثفات البيولوجية الصغيرة. وأرادوا أيضًا معرفة ما إذا كانت هذه الاختلالات تؤدي إلى تفاعل الأكسجين التفاعلي ، “الأكسدة والاختزال” مثل هذه الأنظمة الأخرى.

نشرت يوم 28 أبريل في الصحيفة كيمياء، فإن اكتشافهم الأساسي يمكن أن يغير الطريقة التي يفكر بها الباحثون في الكيمياء البيولوجية. يمكن أن يوفر أيضًا دليلًا على كيفية تسخير الحياة المبكرة على الأرض للطاقة اللازمة للظهور.

“في بيئة البريبايوتك التي لا تحتوي على إنزيمات لتحفيز التفاعلات ، من أين تأتي الطاقة؟” سأل Yifan Dai ، زميل ما بعد الدكتوراه في Duke الذي يعمل في مختبر Ashutosh Chilkoti ، وأستاذ الهندسة الطبية الحيوية Alan L.

قال داي: “تقدم هذه النتيجة تفسيرًا معقولاً لأصل طاقة التفاعل ، مثل الطاقة الكامنة المنقولة إلى نقطة شحنة موضوعة في مجال كهربائي”.

عندما تقفز الشحنات الكهربائية من مادة إلى أخرى ، فإنها يمكن أن تنتج شظايا جزيئية يمكن أن تتزاوج وتشكل جذور الهيدروكسيل ، والتي لها الصيغة الكيميائية OH. يمكن بعد ذلك الاقتران مرة أخرى لتكوين بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) بكميات دقيقة ولكن يمكن اكتشافها.

وقال داي: “لكن نادرًا ما تمت دراسة الواجهات في الأنظمة البيولوجية بخلاف غشاء الخلية ، وهو أحد أهم أجزاء علم الأحياء”. “لذلك تساءلنا عما يمكن أن يحدث في واجهة المكثفات الحيوية ، أي ما إذا كان أيضًا نظامًا غير متماثل.”

يمكن للخلايا بناء مكثفات بيولوجية لفصل أو حجز بروتينات وجزيئات معينة معًا ، مما يعيق نشاطها أو يعززه. بدأ الباحثون للتو في فهم كيفية عمل المكثفات وما يمكن استخدامه من أجله.

نظرًا لأن مختبر Chilkoti متخصص في إنشاء نسخ تركيبية من المكثفات البيولوجية الطبيعية ، فقد تمكن الباحثون بسهولة من إنشاء سرير اختبار لنظريتهم. بعد الجمع بين صيغة اللبنة الصحيحة لإنشاء مكثفات صغيرة ، بمساعدة الباحث ما بعد الدكتوراه ماركو ميسينا؟ قام فريق كريستوفر جي تشانغ في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بإضافة صبغة إلى النظام تتوهج في وجود أنواع الأكسجين التفاعلية.

كان حدسهم صحيحًا. عندما كانت الظروف البيئية مناسبة ، بدأ وهج صلب من حواف المكثفات ، مما يؤكد وجود ظاهرة غير معروفة حتى الآن. تحدث داي بعد ذلك مع ريتشارد زاري ، أستاذ الكيمياء في مارجريت بليك ويلبر في جامعة ستانفورد ، الذي أسست مجموعته السلوك الكهربائي لقطرات الماء. كان Zare متحمسًا لسماع السلوك الجديد في الأنظمة البيولوجية وبدأ العمل مع المجموعة على الآلية الأساسية.

“مستوحاة من العمل السابق على قطرات الماء ، اعتقدت أنا وطالب الدراسات العليا ، كريستيان تشامبرلين ، أن المبادئ الفيزيائية نفسها يمكن أن تطبق وتعزز كيمياء الأكسدة والاختزال ، مثل تكوين جزيئات بيروكسيد الهيدروجين” ، قال زاري. “تشير هذه النتائج إلى سبب أهمية المكثفات في وظيفة الخلية.”

قال تشيلكوتي: “ركزت معظم الأعمال السابقة على المكثفات الجزيئية الحيوية على الأجزاء الداخلية منها”. “إن اكتشاف ييفان أن المكثفات الجزيئية الحيوية تبدو نشطة على مستوى الأكسدة والاختزال عالميًا تشير إلى أن المكثفات لم تتطور ببساطة لأداء وظائف بيولوجية محددة كما هو مفهوم بشكل عام ، ولكنها تتمتع أيضًا بوظيفة كيميائية. وهو أمر ضروري للخلايا.

على الرغم من أن الآثار البيولوجية لهذا التفاعل المستمر داخل خلايانا غير معروفة ، يشير داي إلى مثال حيوي على قوة تأثيراته. تولد مراكز القوة في خلايانا ، التي تسمى الميتوكوندريا ، الطاقة لجميع وظائف حياتنا بنفس العملية الكيميائية الأساسية. ولكن قبل وجود الميتوكوندريا أو حتى أبسط الخلايا ، كان لابد من وجود شيء ما لتوفير الطاقة لأولى وظائف الحياة لبدء العمل.

اقترح الباحثون أن يتم توفير الطاقة من خلال فتحات حرارية في المحيطات أو الينابيع الساخنة. اقترح آخرون أن تفاعل الأكسدة والاختزال هذا الذي يحدث في قطرات الماء الدقيقة تم إنشاؤه عن طريق رش أمواج المحيط.

لكن لماذا لا تكثف بدلاً من ذلك؟

قال داي: “يمكن أن يحدث السحر عندما تصبح المواد صغيرة ويصبح الحجم البيني ضخمًا بالنسبة لحجمها”. “أعتقد أن التداعيات كبيرة بالنسبة للعديد من المجالات المختلفة.”