Η απροσδόκητη ανακάλυψη μυστηριωδών συσσωματωμάτων μέσα στα κύτταρά μας αλλάζει ριζικά την κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί η ζωή και πώς ξεκίνησε.
Μικροσκοπικές σταγόνες που κρύβονται μπροστά στα μάτια μας μέσα στα κύτταρα ίσως εξηγούν πώς άρχισε η ζωή.
Σε κάθε κύτταρο του σώματός σας υπάρχουν μυστηριώδεις κηλίδες. Χρειάζεται μικροσκόπιο για να τις δείτε, αλλά αν κοιτάξει κανείς προσεκτικά, θα διακρίνει πολλές μικρές κουκκίδες: κάποιες μένουν ακίνητες, άλλες κινούνται σαν να παρασύρονται από αόρατα ρεύματα.
Δείχνουν στερεές, αλλά στην πραγματικότητα είναι υγρές. Αν και ανακαλύφθηκαν μόλις το 2009, σήμερα ξέρουμε ότι επιτελούν πλήθος κρίσιμων λειτουργιών. Αν δυσλειτουργήσουν, τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά. Μάλιστα, αυτές οι μάζες που δεν λειτουργούν σωστά στον εγκέφαλο μπορεί να σχετίζονται ακόμη και με τη νόσο Αλτσχάιμερ. Όσο μικρές κι αν είναι, είναι απαραίτητες για την επιβίωσή μας.
Μπορεί επίσης να βοηθήσουν να εξηγηθεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της βιολογίας. Την τελευταία δεκαετία, πειράματα έδειξαν ότι αυτά τα σταγονίδια ίσως ήταν καθοριστικά για την προέλευση της ζωής. Αν αυτό ισχύει, τότε μέσα στα κύτταρά μας «κολυμπούν» κατάλοιπα της πρώτης ζωής στη Γη.
Ανάλογα με το ποιον ρωτάτε, αυτές οι μικρές κουκκίδες αποκαλούνται coacervates, με προφορά «koh-AH-ser-vates», ή condensates, ή μερικές φορές biomolecular condensates. Οι όροι δεν αντιστοιχούν απόλυτα ο ένας στον άλλον, όμως οι διαφορές είναι λεπτές και εξαρτώνται από το πλαίσιο. Αν τα μελετάτε σε δοκιμαστικό σωλήνα, συνήθως ονομάζονται coacervates. Αν βρίσκονται μέσα σε κύτταρο, τα λέμε condensates. «Στην ουσία, είναι το ίδιο», λέει ο Evan Spruijt, βιοφυσικός στο Radboud University στο Nijmegen της Ολλανδίας.
Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ού αιώνα, υπήρχε μεγάλο ενδιαφέρον για υλικά που θόλωναν τα όρια ανάμεσα στα στερεά και τα υγρά, όπως οι υγροί κρύσταλλοι και τα ζελέ. Τα coacervates μελετήθηκαν σε αυτό το πλαίσιο, επειδή, παρότι είναι υγρά, διατηρούν τη συνοχή τους με τρόπο που θυμίζει στερεό.
Ο όρος coacervate καθιερώθηκε το 1929 από δύο χημικούς, τον Hendrik Bungenberg de Jong και τον Hugo Kruyt. Μελετούσαν τα «φαινόμενα απομίξης», κατά τα οποία δύο αναμεμειγμένα υγρά χωρίζονται ξανά.
Ένα προφανές παράδειγμα είναι το λάδι και το νερό, που αναμειγνύονται μόνο αν τα ανακατέψεις έντονα. Αν τα αφήσεις να ηρεμήσουν, θα χωριστούν: πρώτα θα δείτε σταγόνες λαδιού μέσα στο νερό και τελικά όλο το λάδι θα συγκεντρωθεί σε ξεχωριστό στρώμα.
Η coacervation είναι μια λιγότερο απόλυτη μορφή απομίξης. Όταν αναμειχθούν με νερό, μακριές αλυσίδες μορίων, όπως οι πρωτεΐνες ή τα λιπίδια, μπορεί αντί να διαλυθούν να σχηματίσουν σταγονίδια. «Είναι σφαιρικά επειδή παραμένουν υγρά», λέει η βιοφυσικός Dora Tang από το University of Saarland στη Γερμανία. Σε αντίθεση με τις σταγόνες λαδιού στο νερό, που είναι 100% λάδι, «μέσα τους υπάρχει ακόμη πολύ νερό».
Το κρίσιμο στοιχείο στα coacervates είναι ότι η δομή τους είναι εξαιρετικά απλή. Τα ζωντανά κύτταρα περιβάλλονται από μεμβράνη που αποτελείται από δύο στρώματα λιπιδίων, τοποθετημένα με αρκετά ακριβή τρόπο. Αντίθετα, τα coacervates δεν έχουν εξωτερική μεμβράνη, επειδή τα μόριά τους δεν είναι οργανωμένα με τέτοια τάξη. Η Tang παρομοιάζει τη διάταξη των μορίων σε ένα coacervate με παραβρασμένα μακαρόνια, των οποίων οι κλώνοι μπορεί να κολλήσουν μεταξύ τους. Υπάρχει μια «διεπιφάνεια» όπου τα εξωτερικά μόρια του coacervate ακουμπούν το νερό γύρω του, αλλά «όχι ξεχωριστή μεμβράνη», λέει.
Πριν από εκατό χρόνια, ο επιστήμονας Alexander Oparin πρότεινε ότι αυτά τα παράξενα μικρά σταγονίδια ήταν το κλειδί για την προέλευση της ζωής. Μαζί με τον βιολόγο J. B. S. Haldane, υπήρξε από τους θεμελιωτές της επιστημονικής έρευνας για την προέλευση της ζωής, δουλεύοντας επί δεκαετίες στην τότε ΕΣΣΔ.
Ο Oparin έγραφε από τη δεκαετία του 1920 για το πώς θα μπορούσε να είχε σχηματιστεί η πρώτη ζωή και το 1936 δημοσίευσε το μνημειώδες έργο του, The Origin of Life on the Earth. Φαντάστηκε πώς μπορεί να ήταν η Γη όταν ήταν ακόμη νέα. Στους πρώτους ωκεανούς, που δημιουργήθηκαν μέσα στα πρώτα μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη δημιουργία του πλανήτη, υπήρχε ένα τεράστιο μίγμα από χημικές ουσίες: από θραύσματα πετρωμάτων και ορυκτών μέχρι απλές ανθρακούχες ενώσεις, οι οποίες άρχισαν να αντιδρούν μεταξύ τους.
Ο πλανήτης μετατράπηκε σε ένα γιγάντιο χημικό εργαστήριο, βυθισμένο στο χάος. Καθώς σχηματίζονταν πιο σύνθετες ενώσεις, τα νερά έγιναν ένα μίγμα που θύμιζε σούπα και αργότερα βαφτίστηκε «πρωταρχική σούπα». Κάποια από τα μόρια ήταν, με μοριακούς όρους, μεγάλα, όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα.
Αυτές οι χημικές ουσίες δεν θα έμεναν όλες αναμεμειγμένες στο νερό. Κάποιες θα αποχωρίζονταν, σχηματίζοντας coacervates. Ο Oparin μπορούσε ήδη να παραπέμψει σε πειραματικά δεδομένα που έδειχναν ότι οι πρωτεΐνες το έκαναν αυτό εύκολα. Αυτά τα coacervates, υποστήριζε, ήταν πρόδρομοι των κυττάρων. Ήταν πολύ μακριά από το να είναι τόσο σύνθετα και πιθανότατα όχι τόσο σταθερά, αλλά αποτελούσαν μια αδρή πρώτη προσπάθεια για ζωντανούς οργανισμούς.
«Ο Oparin έκανε πολύ σημαντική εννοιολογική και πειραματική δουλειά με τα coacervates, ακόμη και μέχρι τη δεκαετία του 1960», λέει η Tang.
Ωστόσο, η ιδέα αυτή πέρασε στο περιθώριο. Δεν υπήρχαν στοιχεία ότι τα coacervates παίζουν ακόμη κάποιον ρόλο στα ζωντανά κύτταρα. «Αν δεν τα βλέπουμε στην καθημερινή βιολογία, γιατί να είναι σημαντικά για την προέλευση της ζωής;» λέει ο Job Boekhoven, μοριακός μηχανικός στο Technical University of Munich στη Γερμανία.
Την ίδια περίοδο, η επανάσταση της μοριακής βιολογίας που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1950 ανέδειξε τον κεντρικό ρόλο των νουκλεϊκών οξέων, όπως το DNA και το RNA. Έτσι, πολλοί ερευνητές της προέλευσης της ζωής επικεντρώθηκαν στη δημιουργία γενετικού υλικού, με πιο γνωστή την υπόθεση του κόσμου του RNA, που προτείνει ότι η πρώτη ζωή αποτελούνταν από RNA και τίποτε άλλο.
Αντίστοιχα, η ανακάλυψη της δομής των κυτταρικών μεμβρανών τη δεκαετία του 1970 οδήγησε άλλους να προσπαθήσουν να δημιουργήσουν απλά «κυστίδια» με μεμβράνη, που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως τα πρώτα κύτταρα. Μια άλλη σχολή έρευνας επικεντρώθηκε στην προσπάθεια να αναπαραγάγει έναν πρωταρχικό μεταβολισμό: τις χημικές αντιδράσεις που χτίζουν και συντηρούν τα κύτταρα. Τα coacervates έγιναν, για τους ερευνητές της προέλευσης της ζωής, μια ιστορική περιέργεια.
Αυτό άλλαξε μόνο όταν οι βιολόγοι ανακάλυψαν ότι τελικά επιτελούν σημαντικούς ρόλους και στα ζωντανά κύτταρα. Η ανακάλυψη που άλλαξε τα δεδομένα έγινε το 2009, όταν ομάδα με επικεφαλής τον Anthony Hyman στο Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics στη Δρέσδη της Γερμανίας μελέτησε τα λεγόμενα P granules, που βρίσκονται σε κύτταρα τα οποία συμμετέχουν στη σεξουαλική αναπαραγωγή. Παρά το όνομά τους, αυτά τα «κοκκία» αποδείχθηκαν ότι συμπεριφέρονται σαν υγρά. Μια μελέτη άλλης ομάδας το 2012 έδειξε ότι πολλές πρωτεΐνες μπορούν να σχηματίζουν τέτοια υγρά σταγονίδια.
Σήμερα ξέρουμε ότι είναι πανταχού παρόντα στα κύτταρα και καθοριστικά για τη λειτουργία τους. Για παράδειγμα, στους πυρήνες των κυττάρων μας υπάρχει μια ειδική περιοχή που ονομάζεται nucleolus. Εκεί παράγονται τα ριβοσώματα, οι μοριακές μηχανές που κατασκευάζουν όλες τις πρωτεΐνες στα κύτταρά μας. Το nucleolus είναι ένα σύμπλεγμα coacervates.
Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι τα coacervates που δυσλειτουργούν αποτελούν σοβαρό ζήτημα υγείας. Μεταξύ άλλων, είναι βασικός παράγοντας της ταχείας επιδείνωσης των καρδιών που δωρίζονται για μεταμόσχευση. Όταν οι καρδιές ψύχονται για να διατηρηθούν, ορισμένα μόρια σχηματίζουν coacervates. Σε αυτή την κατάσταση ενεργοποιούν υποδοχείς στρες, προκαλώντας φλεγμονή και κυτταρικό θάνατο. Πέρυσι, ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα φάρμακο για να μπλοκάρουν τον σχηματισμό αυτών των coacervates και διαπίστωσαν ότι οι καρδιές που αντιμετωπίστηκαν έτσι λειτουργούσαν καλύτερα.
Στη γένεση του καρκίνου και του Αλτσχάιμερ
Πλέον γνωρίζουμε επίσης ότι αυτά τα σταγονίδια παίζουν σημαντικό ρόλο στον καρκίνο, βοηθώντας για παράδειγμα στην ενεργοποίηση γονιδίων που προάγουν τον όγκο και επηρεάζοντας την ανταπόκριση στα αντικαρκινικά φάρμακα.
Υπάρχουν επίσης ολοένα και περισσότερα στοιχεία ότι τα coacervates μπορεί να εμπλέκονται στην έναρξη της νόσου Αλτσχάιμερ, της πιο συχνής μορφής άνοιας. Πρωτεΐνες όπως η amyloid και η tau σχηματίζουν πλάκες στον εγκέφαλο, που συνδέονται με τα νευροεκφυλιστικά συμπτώματα. Μια σειρά μελετών έδειξε ότι οι πρωτεΐνες amyloid μπορούν να σχηματίζουν coacervates και ότι αυτά με τη σειρά τους φαίνεται να προκαλούν τη συσσώρευση των πρωτεϊνών.
Το Αλτσχάιμερ μπορεί να ξεκινά από φλεγμονή στο δέρμα, τους πνεύμονες ή το έντερο
Το πεδίο του Αλτσχάιμερ ανατρέπεται, καθώς όλο και περισσότερα στοιχεία δείχνουν ότι η ασθένεια μπορεί να ξεκινά έξω από τον εγκέφαλο, πολλά χρόνια πριν εμφανιστούν τα συμπτώματα. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι πρέπει να ξανασκεφτούμε πλήρως τον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε την πρόληψη και τη θεραπεία της.
Αυτή η έκρηξη δεδομένων για τη σημασία των coacervates στα σύγχρονα κύτταρα και στο ανθρώπινο σώμα οδήγησε ορισμένους ερευνητές της προέλευσης της ζωής να αναρωτηθούν αν ο Oparin ίσως είχε τελικά δίκιο. Τα βασικά ερωτήματα ήταν απλά: σχηματίζονται πράγματι τα coacervates αυθόρμητα; Και πόσα διαφορετικά βιολογικά μόρια μπορούν να αυτοοργανωθούν με αυτόν τον τρόπο;
«Βρήκαμε, πρώτα απ’ όλα, ότι [είναι] πολύ εύκολο να σχηματιστούν coacervates», λέει η prebiotic chemist Claudia Bonfio από το University of Cambridge. Πολλή από την παλαιότερη έρευνα για την προέλευση της ζωής είχε επικεντρωθεί στα κυστίδια, που έχουν μια εξωτερική μεμβράνη γύρω από ένα υδατώδες κέντρο. Αυτά είναι δύσκολα στην κατασκευή, λέει, ενώ τα coacervates είναι απλά.
Υπήρχε όμως αμέσως ένα πρόβλημα. Υπήρχαν πολλά παραδείγματα μακρών μορίων που σχημάτιζαν coacervates, λέει ο Spruijt. Στην πιο πρώιμη πρωταρχική σούπα, όμως, τέτοια μεγάλα μόρια θα ήταν σπάνια ή ανύπαρκτα. Τα περισσότερα ανθρακούχα μόρια θα ήταν μικρά.
Το 2021, ο Spruijt και η ομάδα του έδειξαν ότι αυτό δεν ήταν εμπόδιο. Ανέπτυξαν μια μινιατούρα πρωτεΐνη, μόλις τεσσάρων αμινοξέων, που μπορούσε να αυτοσυναρμολογηθεί σε coacervates. «Αυτό άνοιξε πολλές δυνατότητες», λέει. Υπάρχουν ρεαλιστικά σενάρια όπου τέτοια σχετικά απλά μόρια θα μπορούσαν να σχηματιστούν αυθόρμητα και αμέσως να αυτοοργανωθούν σε coacervates, λέει. Τον επόμενο χρόνο, η ομάδα του Spruijt έδειξε ότι ένα άλλο απλό πεπτίδιο, η oligoarginine, ήταν ακόμη πιο ικανό, σχηματίζοντας coacervates με πλήθος μικρών μορίων.
Ο σχηματισμός coacervates, που είναι υπερβολικά μικρά για να φανούν σε αυτή την εικόνα MRI, προκαλεί την επιδείνωση των καρδιών που δωρίζονται για μεταμόσχευση.
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι αυτό δεν συνέβη, αν σκεφτεί κανείς την ακατάστατη προβιοτική σούπα που θα μπορούσε να περιέχει όλα αυτά τα δομικά υλικά της ζωής, λέει η Bonfio. Τα coacervates, υποστηρίζει, πιθανότατα άρχισαν να σχηματίζονται εξαιρετικά νωρίς, μόλις τα ανθρακούχα μόρια άρχισαν να συνδέονται μεταξύ τους σε ακόμη και σχετικά σύντομες αλυσίδες.
Ωστόσο, μέχρι στιγμής, αυτά τα coacervates δεν είναι κάτι περισσότερο από άδεια κελύφη. Τι θα μπορούσαν πραγματικά να κάνουν;
Μια βασική ιδέα, που ανάγεται στον Oparin, είναι ότι τα coacervates αποτελούν έναν τρόπο δημιουργίας ενός εσωτερικού περιβάλλοντος. Στο εσωτερικό τους, οι χημικές ουσίες μπορούν να γίνουν εξαιρετικά συμπυκνωμένες, σε αντίθεση με τη διαλυμένη πρωταρχική σούπα απ’ έξω. Γειτονικά coacervates μπορούν επίσης να έχουν διαφορετική σύσταση. «Τότε μπορείς να αρχίσεις να ωθείς αντιδράσεις, και έπειτα να φτιάχνεις περισσότερα μόρια, και μετά έχεις μεγαλύτερη ποικιλία μορίων στην πρωταρχική σούπα», λέει η Tang. Με αυτόν τον τρόπο, τα coacervates μπορούν να ενισχύσουν τη χημική πολυπλοκότητα, σπρώχνοντας τη μη ζωντανή πρωταρχική σούπα προς τη ζωή.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
